Конкурентоспособность зерновых культур в управлении сорным компонентом агрофитоценозов в условиях Северного Зауралья и Казахстана 03. 00. 16 экология

03.00.16 – экология

Работа выполнена на кафедре ботаники ФГОУ ВПО «Алтайский Государственный университет»

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Ведущая организация: ГНУ Сибирский НИИ растениеводства и селекции

Сибирского отделения Россельхозакадемии

Защита состоится «1» октября 2008 г. в 10 ⁰⁰ час. на заседании диссертационного совета Д 220.005.01 в Брянской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 243365, с. Кокино, Выгоничский р-н, Брянская область

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор с.-х. наук А.В. Дронов


Общая характеристика работы

Актуальность темы. В системе управления фитосанитарным состоянием агрофитоценозов на современном этапе концепция борьбы с сорняками сменяется концепцией управления сорным компонентом агрофитоценоза с целью повышения эффективности использования ресурсов среды обитания (Захаренко, 1998; Баздырев, 2002; Туликов, 2002 и др.).

Популяционный состав сорных растений может изменяться в зависимости от культур в условиях одного и того же экотопа под действием эдификаторной роли различных культурных растений, а также при выращивании одной и той же культуры на фоне разных экотопов.

Главной задачей системы управления сорным компонентом агрофитоценоза является обеспечение эдификаторной роли культурного компонента в присутствии незначительного количества сорных растений, не оказывающих заметного влияния или стимулирующих рост и развитие культурных растений за счет взаимоположительного аллелопатического влияния (Работнов, 1987; Миркин, 1992; Захаренко, 1998 и др.).

В связи с этим актуальным является изучение взаимосвязи в системе сорный компонент – культурное растение в различных почвенно-климатических и агрометеорологических условиях, направленное на снижение антропогенной нагрузки в комплексе борьбы с сорными растениями в агрофитоценозах.

- изучить видовой состав, численность, жизненные формы, экологические группы сорно-полевых растений в агрофитоценозах зерновых культур в различных почвенно-климатических зонах Тюменской области и Северного Казахстана;

- определить особенности эколого-географического распространения сорно-полевых растений в изучаемых регионах;

- выявить биологические группы сегетальных растений как научную основу для разработки мероприятий по борьбе с ними;

- изучить особенности взаимодействия в системе «сорняк – культурное растение» у различных сортов зерновых культур;

- изучить продуктивность культурного компонента в связи с изменением сорного компонента в агрофитоценозе;

- изучить аллелопатические взаимоотношения проростков культурных и сорных растений.

- дать оценку конкурентоспособности сортов зерновых культур в условиях засорения

1. Снижение видового разнообразия сегетальной флоры в направлении от северной части лесостепной зоны к степной зоне.

2. Максимальную конкурентоспособность в условиях засорения проявляет в северной лесостепной подзоне яровой ячмень, в южной части лесостепной зоны – озимая рожь, в степной зоне – овес посевной.

3. Снижение корреляционной зависимости между урожайностью и элементами ее структуры в засоренном посеве в сравнении с чистым от сорных растений.

4. Наибольшему ингибирующему влиянию вытяжек из сорных растений у изученных зерновых культур подвержено прорастание семян культурного растения.

Практическая значимость. Проведено изучение сегетальной флоры агрофитоценозов зерновых культур в различных почвенно-климатических и агрометеорологических условиях, оценка конкурентоспособности культур и сортов в условиях засорения с целью снижения антропогенной нагрузки в комплексе борьбы с сорным компонентом сообщества. Результаты исследований используются при чтении лекций по общей экологии в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Тюмень, 1999), на конференции аграрных учебных заведений «Новые аспекты аграрного образования: от производства к развитию сельских территорий» (Тюмень, 2000); на международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию образования КГСХА им. Т.С.Мальцева (Курган, 2004); на международной научно-практической конференции, посвященной году Пушкина в Казахстане и году Абая в России «Россия и Казахстан: путь дружбы, диалог культур, интегрирования образования и науки» (Кокшетау, 2006); на международной научно-практической конференции «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2006); на международной научно-практической конференции «Энтузиазм и творчество молодых ученых в развитии фундаментальной и прикладной науки» (Троицк, 2006); на международной научно-практической конференции «Валихановские чтения – 14» (Кокшетау, 2007); на международной научно-практической конференции «Аграрные проблемы Северного Зауралья» (Тюмень, 2007), на международной научно-практической конференции «Биология: теория, практика, эксперимент» (Саранск, 2008), на III Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 32 работы, из них 9 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 327 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и приложений. Список литературы включает 278 наименований, в том числе 25 иностранных авторов. Диссертация включает 105 таблиц, 38 рисунков и 50 приложений.

В главе приведен обзор литературы по структуре агрофитоценоза как биосистемы, роли сорных растений как компонента агрофитоценоза, эдификаторной роли и конкурентоспособности культурных растений в агрофитоценозе. Проанализированы сортовые особенности конкурентоспособности зерновых культур, а также аллелопатические взаимодействия культурных и сорных растений.

Исследования проводились в 1999 – 2006 гг. на опытном поле Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (северная лесостепь), в производственных посевах ООО «Казан – Агро» Казанского района Тюменской области (южная лесостепь) и опытном поле агротехнологического института Кокшетауского государственного университета им. Ш.Ш. Уалиханова (республика Казахстан, степная зона).

Материалом исследования в Тюменской области служили зерновые культуры: озимая рожь (сорт Чулпан), яровой ячмень (сорт Ача), овес посевной (сорт Мегион) и яровая пшеница (4 среднеранних и 8 среднеспелых сортов).

Материалом исследования в Северном Казахстане служили яровая пшеница (сорт Целинная 3С), яровой ячмень (сорт Арна) и овес посевной (сорт Битик).

Закладка опытов по изучению видового состава и обилия сорных растений в агрофитоценозах зерновых культур проводилась мелкоделяночным способом. Повторность опытов шестикратная. Посев проводили сеялкой ССФК-16. Общая площадь одной делянки составляла 10 м², учетная площадь делянки для изучения сорной растительности – 1 м² согласно методическим рекомендациям Н.З. Милащенко (1977).

Норма высева зерновых культур - 6 млн. всх. семян на 1 га в зоне северной лесостепи, 5,5 млн. всх. семян на 1 га в зоне южной лесостепи (Тюменская область) и 3,5 млн. всх. семян на 1 га в степной зоне Северного Казахстана. Предшественник – зерновые культуры. Сроки посева – общепринятые в почвенно-климатических зонах. Контроль – посевы зерновых культур без сорняков (ручная прополка). Всего за годы исследований в агрофитоценозах зерновых культур было заложено 1512 пробных площадок.

Для моделирования различной плотности посева агрофитоценоза мы использовали различные нормы высева яровой пшеницы сорта Тулунская 12 в условиях северной лесостепной зоны (4, 6, 8 млн. всх. семян на 1 га).

Учёт видового и количественного состава сорных растений проводили согласно «Методическим указаниям по оценке вредоносности сорных растений на зерновых культурах» (Воеводин, Зубков, Корнилова, 1983). Велся учет как сырой, так и сухой биомассы сорных растений по Б.А. Смирнову (1969, 1973).

Коэффициент встречаемости сорных видов растений рассчитывали по формуле Раункиера в изложении А.М. Туликова (1974). Коэффициент общности видового состава сорных растений изучаемых агрофитоценозов вычисляли по формуле Жаккара в изложении А.М. Туликова (1974).

Фенологические наблюдения, анализ урожайности зерновых культур и элементов её структуры проводили согласно «Методическим указаниям по изучению мировой коллекции пшеницы» (1984), «Методическим указаниям по изучению мировой коллекции ржи» (1981), «Методическим указаниям по изучению мировой коллекции ячменя и овса» (1981).

Площадь листьев и фотосинтетический потенциал сортов зерновых культур определяли по методике Г.Ф. Никитенко (1982).

Коэффициент экологической стабильности сорта определяли по методике Л.В. Сазоновой и Э.А. Власовой (1990).

Опыты по аллелопатическому влиянию сорных растений на семена и проростки яровой пшеницы проводили по методике С.М. Неуструевой и Т.А. Терехиной (1975).

Статистическую обработку результатов исследований проводили по Б.А. Доспехову (1985).

Северная лесостепная подзона Тюменской области относится к теплому умеренно увлажненному агроклиматическому району. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10 ºС в пределах 1900 – 1950 ºС. За вегетационный период выпадает в среднем 345 мм осадков.

В северной лесостепной подзоне агрометеорологические условия в 1999 и 2002 годах исследования сложились неблагоприятно для выращивания зерновых культур в связи с избыточным количеством осадков, а в 2004 и 2006 годах - в связи с недостаточным увлажнением. Агрометеорологические условия в остальные годы исследования не отличались от среднемноголетних значений как по уровню увлажнения, так и по температурным условиям.

Южная лесостепная подзона Тюменской области относится к теплому, недостаточно увлажненному району. Сумма положительных температур за период вегетации составляет 2186-2233 ºС, а сумма осадков за вегетационный период - 251-293 мм.

В южной лесостепной подзоне Тюменской области агрометеорологические условия в 1999, 2000, 2004 и 2006 годах исследования сложились неблагоприятно для произрастания зерновых культур в связи с недостаточным количеством осадков, а в 2001 и 2005 годах - в связи с избыточным увлажнением. Агрометеорологические условия в остальные годы исследования не отличались от среднемноголетних значений.

Климат Северного Казахстана носит черты резкой континентальности. Лето обычно сухое и жаркое. Сумма положительных температур свыше 10 ºС составляет 1800 º - 3200 ºС. За июнь – август выпадает 120-170 мм осадков, что составляет 45-50 % среднегодовой нормы. Около 50 % лет бывают засушливыми, когда дожди отсутствуют продолжительное время в июне, а иногда и в июле.

В степной зоне Северного Казахстана агрометеорологические условия в 1999 и 2000 годах были засушливыми. Особенно засушливым был 1999 год, когда за вегетационный период выпало 85,3 мм осадков. Агрометеорологические условия в 2001, 2002, 2003 и 2005 годах исследования характеризовались как влажные. Агрометеорологические условия в остальные годы исследования по температурному режиму и влажности не отличались от среднемноголетних значений.

Распространение сорных растений, прежде всего, определяется почвенно-климатическими условиями, особенно характером увлажнения. Условия Северного Зауралья и Казахстана формируют определенные экотипы сорных растений с морфологическими приспособлениями к водному и тепловому режиму. Определенное влияние на видовой состав сорных растений, их численность оказывает также возделываемая культура.

Всего в агрофитоценозах зерновых культур трех почвенно-климатических зон встречалось 54 вида сорных растений, принадлежащих к 46 родам и 24 семействам.

Наиболее многочисленным было семейство Asteraceae (10 видов). Вторым по численности было семейство Brassicaceae (7 видов). Три семейства содержали по 4 вида (Caryophyllaceae, Poaceae и Poligonaceae). Два семейства включали по 3 вида (Lamiaceae и Chenopodiaceae) и два семейства по 2 вида (Boraginaceae и Euphorbiaceae). К остальным 15 семействам относилось по одному виду.

Таксономический анализ сорных растений в агрофитоценозах яровой пшеницы трех почвенно-климатических зон выявил наличие 52 видов, относящихся к 45 родам и 23 семействам. В северной лесостепи встречались 34 вида, южной лесостепи – 27 видов, степной зоне – 25 видов сорных растений.

Наибольшим сходством видового состава сорных растений обладали агрофитоценозы южной лесостепи и степной почвенно-климатической зоны (44,4 %). Полученные данные говорят о большей специфичности почвенно-климатических условий для произрастания сорных растений в агрофитоценозах яровой пшеницы в подзоне северной лесостепи.

Таксономический анализ видового состава сорных растений в агрофитоценозах ярового ячменя выявил наличие 34 видов, принадлежащих к 30 родам и 18 семействам. В северной лесостепи встречались 21 вид, южной лесостепи– 25 видов, степной зоне – 21 вид.

Анализ сходства сегетальной флоры агрофитоценозов ярового ячменя показал, что коэффициенты видового сходства между северной и южной лесостепной подзонами, а также южной лесостепью и степной почвенно-климатической зоной были одинаковы (53,3 %). Полученные данные говорят о большом видовом сходстве сорных растений в агрофитоценозах ярового ячменя независимо от почвенно-климатической зоны.

Таксономический анализ видового состава сорных растений в агрофитоценозах овса посевного выявил наличие 26 видов, принадлежащих к 24 родам и 15 семействам. В южной лесостепи встречались 21 вид, а в степной зоне - 14 видов.

Анализ сходства сегетальной флоры агрофитоценозов овса посевного выявил среднюю степень сходства видового состава южной лесостепи и степной почвенно-климатической зоны (33,3 %).

В агрофитоценозах озимой ржи в южной лесостепной зоне видовой состав сорных растений был представлен 10 видами, принадлежащими к 10 родам и 7 семействам

Сравнение видового состава сорных растений агрофитоценозов разных зерновых культур внутри одной почвенно-климатической зоны выявило, что агрофитоценозы яровой пшеницы и ярового ячменя в северной лесостепи характеризовались значительным коэффициентом сходства (К=48,6 %). Высоким сходством сегетальной флоры характеризовались эти же агрофитоценозы в условиях южной лесостепи и степной зоны (К=85,7 % и 87,5 % соответственно).

Анализ участия растений из разных географических групп в сложении сегетальной флоры агрофитоценозов зерновых культур трех почвенно-климатических зон показал, что наибольшим количеством видов во флоре представлена группа евразийских видов. Голарктическая и космополитная группы были представлены 15 видами (табл. 1).

Таблица 1 Географические группы сегетальной флоры агрофитоценозов зерновых культур, 1999 - 2006

Преобладание евразийских видов свидетельствует о том, что сегетальная флора Тюменской области и Северного Казахстана имеет обширные связи с флорой Европы.

Анализ соотношения географических групп сегетальной флоры агрофитоценозов яровой пшеницы в трех почвенно-климатических зонах выявил снижение доли евразийских видов и возрастание - космополитных видов в направлении от северной лесостепи к степной зоне (табл. 2).

Таблица 2 Географические группы сегетальной флоры агрофитоценозов яровой пшеницы, 1999 – 2006 гг.

Аналогичным было соотношение географических групп сорных растений и в агрофитоценозах ярового ячменя. В агрофитоценозах овса посевного и озимой ржи выявлено преобладание космополитной группы сорных растений.

Жизненные формы сорных растений в агрофитоценозах зерновых культур были представлены 13 видами геофитов, 14 видами гемикриптофитов и 27 видами терофитов.

В агрофитоценозах яровой мягкой пшеницы независимо от почвенно-климатической зоны преобладала группа терофитов. Соотношение геофитов и гемикриптофитов значительно варьировало в зависимости от зоны. В северной лесостепи гемикриптофиты по численности преобладали над геофитами, а в южной лесостепи и степной зоне наблюдалось преобладание по численности геофитов над гемикриптофитами.

Таким образом, в направлении от северной лесостепи к степной зоне группа гемикриптофитов по численности убывала, а группа геофитов - возрастала (рис.1).

Рис. 1 Соотношение жизненных форм сорных растений в агрофитоценозах яровой пшеницы, 1999 – 2006 гг.

1 – северная лесостепь, 2 – южная лесостепь, 3 – степная зона

Такая же закономерность нами отмечена при изучении соотношения жизненных форм сорных растений в агрофитоценозах других зерновых культур в разных почвенно-климатических зонах.

Большая часть сорных растений, произрастающих в агрофитоценозах зерновых культур трех почвенно-климатических зон, относилась к экологической группе мезофитов – 34 вида (63,0 %). К группе гигромезофитов относилось 5 видов сорных растений (9,2 %). Ксеромезофиты были представлены 6 видами сорных растений (11,1 %), мезоксерофиты - 8 видами (14,8 %). Один вид ксерофитный - Lactuca tatariсa (L.) C.A. Mey. (1,9 %).

В агрофитоценозах зерновых культур в направлении от северной лесостепи к степной зоне доминирование экологической группы мезофитов ослабевает. Количество гигромезофитов убывает, а ксеромезофитов и мезоксерофитов увеличивается в направлении от северной лесостепи к степной зоне.

Сегетальная флора агрофитоценозов яровой пшеницы в течение 1999-2006 гг. исследования в трех почвенно-климатических зонах была представлена 52 видами сорных растений, ярового ячменя – 34 видами, овса посевного (южная лесостепь и степная зоны) – 25 видами и озимой ржи (южная лесостепь) – 10 видами.

Из многолетних сорных растений в разные годы в агрофитоценозах зерновых культур наиболее часто встречались в трех почвенно-климатических зонах Convolvulus arvensis L. и Sonchus arvensis L., из однолетних яровых - Echinochloa crusgalli (L.) Beauv., Atriplex patula L., Avena fatua L., Chenopodium album L., Setaria glаuca (L.) Beauv., Amaranthus retroflexus L., из зимующих - Matricaria inodora Merat. и Crepis tectorum L..

Анализируя соотношение биологических групп сорных растений в агрофитоценозах зерновых культур трех почвенно-климатических зон, можно отметить преобладание однолетних яровых и увеличение доли многолетних видов в направлении от северной лесостепи к степной зоне.

При изучении сегетальной флоры зерновых агрофитоценозов северной лесостепной подзоны в течение 1999 – 2006 гг. исследования нами обнаружено 36 видов сорных растений. По численности преобладали Chenopodium album L., Echinochloa crusgalli (L.) Beauv., Eqisetum arvense L., Stellaria media (L.) Vill., Thlaspi arvense L. Только в агрофитоценозах северной лесостепи встречались такие виды, как Atriplex calotheca (Rafn.) Fries. , Brassica arvense L., Cannabis ruderalis L., Centaurea cyanus L., Eqisetum arvense L., Erysimum cheiranthoides L., Galium aparine L., Polуgonum scabrum (Moench.) Mold., Raphanus raphanistrum L., Thlaspi arvense L.

Исходя из видового состава и средней численности сорных растений можно отметить, что большей конкурентоспособностью в северной лесостепной подзоне характеризовались яровой ячмень, а меньшей – яровая пшеница.

При изучении сегетальной растительности зерновых агрофитоценозов южной лесостепной подзоны в течение 1999 – 2006 гг. исследования нами обнаружено 35 видов сорных растений. В агрофитоценозах всех культур в южной лесостепи встречались многолетние виды Convolvulus arvensis L. и Sonchus arvensis L., однолетние яровые Echinochloa crusgalli (L.) Beauv., Chenopodium album L. и Setaria glаuca (L.) Beauv. Встречались только в южной лесостепи: Galeopsis spеciosa Mill., Plantago major L., Solanum nigrum L., Sonchus oleraceus L., Urtica urens L.

Наибольшей конкурентоспособностью, исходя из видового состава и средней численности сорных растений, в южной лесостепной подзоне характеризовались озимая рожь, а наименьшей – яровая пшеница. Яровой ячмень и овес посевной характеризовались средней конкурентоспособностью.

При изучении сегетальной флоры зерновых агрофитоценозов степной зоны в течение 1999 – 2006 гг. исследования нами обнаружено 25 видов сорных растений. В степной зоне наиболее часто встречались следующие виды сорных растений: Convolvulus arvensis L., Lactuca tatariсa (L.) C.A. Mey., Avena fatua L., Setaria glаuca (L.) Beauv., Amaranthus retroflexus L. Встречались только в степной почвенно-климатической зоне такие виды, как Euphorbia virgata Waldst. et Kit, Lepidium ruderale L., Malva pusilla Smith., Setaria viridis (L.) Beauv.

Наибольшей конкурентоспособностью в степной зоне, исходя из видового состава и средней численности сорных растений, характеризовались овес посевной, а наименьшей – яровая пшеница. Яровой ячмень характеризовался средней конкурентоспособностью.

В наших исследованиях отмечены значительные колебания по численности и биомассе сорного компонента как по годам, так и по культурам в различных почвенно-климатических условиях.

Нами установлено, что для развития многолетних сорных растений в условиях Северного Зауралья, как в северной, так и в южной лесостепной подзонах, важное значение имеет как температура, так и количество осадков. Для развития надземной биомассы зимующих сорных растений более важным является количество осадков. Лимитирующим фактором в накоплении биомассы всех биологических групп сорных растений в степной почвенно-климатической зоне являются условия увлажнения.

Погодные условия определяли в отдельные годы массовое появление видов, которые в другие годы не встречались. Так, в условиях избыточного увлажнения 2002 года в северной лесостепи доминировал Equisetum arvense, который отсутствовал в остальные годы исследований. Максимальная численность сорных растений в условиях северной лесостепи в агрофитоценозах зерновых культур отмечена нами в 2003 году, самом теплообеспеченном из всех лет исследования, что указывает на тесную зависимость высоких среднесуточных температур воздуха периода вегетации и уровня засоренности в условиях данной подзоны.

В течение 2003 – 2005 гг. нами был изучен видовой состав, численность, накопление сухой биомассы сорных растений и долю сорного компонента в общей биомассе агрофитоценозов среднеранних и среднеспелых сортов яровой пшеницы в условиях северной лесостепной подзоны. Наиболее высокой конкурентоспособностью по отношению к сорным растениям в среднем за годы исследований в группе среднеранних сортов характеризовался сорт СКЭНТ 2, а в группе среднеспелых сортов – Авиада (рис. 2 и 3).

Рис. 3 Доля сорного компонента в биомассе агрофитоценозов среднеспелых сортов яровой пшеницы (%) (северная лесостепь), 2003 – 2005 гг. (%)