Обзор литературных источников

1. Обзор литературных источников...9

1.1. Органогенез сельскохозяйственных растений в природных и антропогенно преобразованных агробиогеоценотических ландшафтных системах...9

1.2. Экологическая реакция растений на изменяющиеся условия

внешней среды...13

* 1.3. Теоретические и практические основы прогнозирования высоких урожаев полевых культур на основе дистанционного зондирование Земли...17

2. Условия и методика исследований...29

2.1. Условия проведения исследований...'...29

2.2. Методика проведения исследований...44

щ 3. Прогнозирование урожайности озимых культур на основе методов

аэрокосмического мониторинга...55

3.1. Оптимальные агроэкологические условия мониторинга озимой пшеницы...56

3.2. Тестовые участки, структура опорной информации и полевые обследования...59

3.3. Технология мониторинга сельскохозяйственного производства по

4 данным космического дистанционного зондирования Земли...62

3.4. Долговременный мониторинг структуры посевных площадей и севооборотов. Информационная идентификация отдельного поля...63

3.5. Пространственное представление севооборота...65

3.6. Анализ структуры посевных площадей...68

3.7. Структура информационно-аналитической системы «Севооборот-дистанционное зондирование Земли»...70

3.8. Мониторинг состояния озимых культур...71

3.9. Роль космического мониторинга в увеличении эффективности информационного обеспечения сельскохозяйственного производства Ростовской области...76

3

4. Реакция растений ярового ячменя и озимой пшеницы на изменение условий внешней среды...79

4.2. Агромелиорация компонентов агроландшафта юго-востока Ростовской области...89

4.3. Обоснование длительного эффекта агромелиорации...95

4.4. Влияние вида обработки солонцового комплекса на плотность солонцовой почвы...96

4.5. Запас доступной влаги в почве (в среднем по солонцовому комплексу)...101

4.6. Засоренность агрофитоценоза...106

4.7. Урожайность сельскохозяйственных культур...112

5. Экономическая эффективность...121

Выводы...130

Практические предложения...131

Список использованных литературных источников...132

Приложения...146

Введение

Введение

Дифференциация условий продукционного процесса агроэкосистемы имеет место не только в пространстве, но и во времени — продуктивность растений варьирует по годам и при равной ресурсоемкости агротехники урожайность изменяется. Можно полагать это варьирование результатом случайной комбинации погодных факторов текущего сельскохозяйственного года, однако современные количественные методы анализа больших выборок данных многолетних наблюдений позволяют отследить и применить в целях превентивной коррекции циклические изменения в агробиогеоценотических системах.

Детализация технологии выращивания по реакции сельскохозяйственных растений на приемы обработки почвы позволяет разработать технологию выращивания культуры, которая, с одной стороны, адаптирована ландшафту, а, с другой стороны, позволяет управлять агроландшафтом с точки зрения принципов его устойчивости и максимума продуктивности. Возможность оценить биологическую продуктивность агрокультуры в экосистемах разных типов свидетельствует об актуальности проведенных исследований.

Рассматриваемый подход к управлению агроэкосистемами лежит в области представлений программирования урожайности и прикладной экологии, поскольку направлен на разработку принципов и практических мер, ориентированных на охрану живой природы, как на видовом, так и экосистемном уровне, позволяет разрабатывать принципы создания агроэкосистем корректировать управление их функционированием. Влияние антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически

5 обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на

живую природу обеспечивается долговременной агромелиоративной коррекцией и аэрокосмическим мониторингом агроэкосистем. Адаптированная агрокультура пространственно дифференцированной на микро- (солонцовые каштановые комплексы) и мезоуровне (комплексы и сочетания черноземных почв) агроэкосистемы является условием поддержанного развития агроландшафта исходя из парадигмы природопользования.

Анализ современного состояния природной среды и сельскохозяйственного производства дает основание говорить о том, что тенденция ухудшения общей экологической обстановки в агропромышленном комплексе сохраняется и может привести к возникновению кризисной ситуации в сфере АПК.

Материалы исследований послужили основой исполнения следующих работ: Государственный контракт №116 направление 5.1 от 15.08.97 «Естественные и антропогенные процессы и факторы формирования, функционирования и эволюции агроландшафтов юга России», заказчик ФЦП "Интеграция", исполнители Почвенный институт им. В.В. Докучаева и Донской государственный аграрный университет на основе научного задела ДГАУ; Государственный контракт №1512/26 от 16.10.02 № госрегистрации 01.2.00106089, инв. №2, научное направление «Природные и антропогенные факторы происхождения и эволюции агроландшафтов юга России», тема: «Разработать принципы управления структурой почвенного покрова и методические рекомендации по их использованию в аграрном производстве на территории Ростовской области», заказчик Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, исполнитель Донской государственный аграрный университет; Меры повышения плодородия почв Ростовской области на 2002-2005 годы (далее - Меры), разработаны в порядке реализации федеральной целевой программы "Повышение плодородия почв России на 2002-2005 годы", заказчик Министерство сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области, исполнитель Донской государственный аграрный университет.

6

Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в том, чтобы в процессе полевых исследований с учетом аэрокосмического мониторинга биогео-ценотических систем на объектах различной агрокультуры определить особенности формирования урожайности сельскохозяйственных растений в зависимости от условий внешней среды. Апробировать и усовершенствовать технологию анализа структуры посевных площадей, состояния озимых зерновых культур по данным дистанционного зондирования Земли в системе мониторинга сельскохозяйственного производства.

1. Апробировать и усовершенствовать технологию аэрокосмического мониторинга сельскохозяйственных угодий в порядке теоретического и практического обоснования прогнозирования урожайности полевых культур, типизации агроэкосистем, оценки биологической продуктивности агрокультуры в экосистеме.

2. Изучить особенности формирования урожайности и разработать эффективную технологию возделывания полевых культур на базе основной обработки почвы орудиями ПТН-40, ПМС-70, обосновать срок последействия агротехники для агроландшафтной системы каштаново-солонцовых комплексных почв на основании длительного стационарного опыта по агромелиорации солонцов восточной природно-климатической зоны Ростовской области.

Научная новизна работы состоит в выявлении реакции сельскохозяйственных растений на приемы обработки почвы, которая обеспечивает преодоление причин пространственной неоднородности агроландшафта и трансформации растительных сообществ на локально измененных почвах солонцового комплекса.

В порядке повышения устойчивости агробиогеоценотических систем предложен способ адаптации агромелиорации, разработаны приемы мониторинга и прогноза биогеоценотических систем.

7

Показано, что пространственная неоднородность почвенного покрова усиливается в условиях зональной агрокультуры почв степной зоны и зоны сухих степей на микро- и мезоуровне, что является препятствием формирования максимально гомогенного почвенного покрова с высокими устойчивыми агротехническими параметрами плодородия. Региональный аспект создания эффективных технологий возделывания полевых культур в условиях Ростовской области состоит в разработке технологии выращивания культуры, которая, с одной стороны, адаптирована ландшафту, а, с другой стороны, позволяет управлять агро-ландшафтом с точки зрения его устойчивости и максимума продуктивности.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

• оценка состояния и биологической продуктивности озимых зерновых культур по данным дистанционного зондирования Земли в полнофунк- циональной системе оперативного мониторинга сельскохозяйственного производства Ростовской области;

• улучшение водно-физических, физико-химических свойств мелиорируемых солонцовых почв сухостепной зоны при мелиоративной основной обработке каштановых комплексных солонцовых почв орудием типа ПМС-70, что обеспечивает повышение урожайности озимой пшеницы и ярового ячменя на 15-60%;

• результаты исследований внедрены в хозяйствах Ростовской области.

8

Место и время выполнения работы.

Лабораторная стадия исследований выполнялась на кафедре земледелия и мелиорации, в лаборатории повышения плодородия почв Донского государственного аграрного университета, в ЮРИА-Центре.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры земледелия и мелиорации ДонГАУ, на республиканской научно-практической конференции «Проблемы развития аграрного сектора экономики и пути их решения» (пос. Персиановский, 2003), на Второй Международной Научной Конференции «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2002), на Третьей Международной научной конференции «Борьба с засухой» (Ставрополь, 2004), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса» (пос. Персиановский, 2005).

Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах.

Объем, структура и содержание работы.

Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 28 таблиц, 3 приложения. Список использованной литературы представлен 245 работами, из них 8 на иностранном языке.

1. Обзор литературных источников

1.1. Органогенез сельскохозяйственных растений в природных и антропогенно преобразованных агробиогеоценотических ландшафтных системах

Растения полевой культуры, особенности их биологии и требования к условиям произрастания, являются предметом изучения при разработке и усовершенствовании приемов и технологий выращивания сельскохозяйственной продукции при наименьших затратах труда и средств с одновременным повышением плодородия почвы и улучшением внешней среды. Установлено, что увеличиваются площади земель с неблагоприятными с точки зрения сельскохозяйственного использования свойствами (Федеральная целевая программа "Повышение плодородия почв России на 2002-2005 годы"). Это обусловлено протеканием известных процессов деградации почвенного покрова, а также обусловлено усилением неблагоприятного эффекта дифференциации агробиогеоценотических систем как явления координации свойств компонентов почвенного покрова в пространстве (Ванин Д.Е., 1987, Герасимова М.И., Ковалева Н.А., Таргульян В.О., 2000, Ковда В.А., 1974, 1980, 1981, Каштанов А.Н. и др., 1984, 1988, 1994, 2000, Кирюшин В.И. и др., 1993, 1996, 2000, Кирпичников П.А., 1990, Лопырев М.И., Рябов Е.И., 1989, Лыков A.M., 1988, Панкова Е.И., Новикова А.Ф., 2000, Петрова Л.И., Рындин В.М., 2001, Подколзин А.И., 2000, По-жилов В.И., Климов А.А., 2001, Романенко Г.А. 1993, 2001). Различие свойств почв в пределах почвенного комплекса, сочетания является следствием гидрологического и солевого режимов, пространственной динамики органического вещества, продуктивности компонентов почвенной комбинации. Динамика свойств агроландшафта в процессе антропогенного воздействия требует управления по принципу опережающей обратной связи. Земельные угодья Ростовской области, свойства которых обусловлены пространственным природным и антропогенно обусловленным дифференцированием свойств компонентов аг-

10 роландшафтов, отличаются тем, что степень дифференциации усиливается по

типу положительной обратной связи в процессе нерегулируемого функционирования соответствующих ландшафтных и агрогенных систем (Апарин Б.В., Антонова Н.С., 1983, Бордюгов И.И., Бурдюгов В.Г., 2000, Вальков В.Ф., 1977, 1987, Геннадиев А.Н., 2001, Голоусов И.С., Шматько Г.А., Подпорина А.И., 2000). Преодоление деградационных процессов в агроландшафтных системах обеспечивается путем создания условий их поддержанного развития, когда соотношение противоположных явлений деградации и аградации складывается в пользу аградации.

Экологическая реакция видов на изменяющиеся условия внешней среды, почвенные условия, условия влагообеспеченности, пищевого режима определяет условия развития агробиогеоценотических систем. Опыт управления биогео-ценотической агроэкосистемой каштаново-солонцовых комплексов путем агромелиорации в условиях зональной и орошаемой агрокультуры рассмотрен за последние 25-30 лет. Управление биогеоценотической агроэкосистемой обеспечивает повышение плодородия земель на 10-40%, продолжительность последействия агромелиорации увеличивается в 2-5 раз по сравнению с действующими нормативами. Основной характеристикой предлагаемого подхода к управлению свойствами земельных угодий путем воздействия на функционирование соответствующих биогеосистем является принципиальная возмож- ность создания новых мелиоративных, ирригационных и зональных агротехно-логий. Это позволит усовершенствовать принципы землеустройства и трансформации земельных угодий, систему оценки надежности крупных природно-трансформационных объектов, вложенных в природные ландшафты с выраженной дифференциацией земель (Минкин М.Б., Калиниченко В.П., Садименко П.А., 1986, Калиниченко В.П., Минкин М.Б., 1991, Сычев В.Г., Калиниченко В.П., Зинченко В.Е., Нагабедьян И.А., 2003, Морковской Н.А., Зинченко В.Е., Черненко В.В., 2003, Глобус A.M., Туленинова O.K., 2000, Шишов Л.Л., 1991, Милащенко Н.З., 2001, Минеев В.Г., Дебрецени Б., Мазур Т., 1993).

11

Особенности формирования урожайности сельскохозяйственных растений в зависимости от условий орошаемой и богарной культуры обусловливают необходимость выявления реакции растений на способы управления свойствами агробиогеоценотических систем. Значим региональный аспект разработки эффективных технологий возделывания полевых культур. В таком случае детализация технологии выращивания по реакции сельскохозяйственных растений на приемы обработки почвы позволяет разработать технологию выращивания культуры, которая, с одной стороны, адаптирована ландшафту, а, с другой стороны, позволяет управлять им с точки зрения принципов его устойчивости и максимума продуктивности.

Агромелиоративное состояние объектов, выбранных для исследования, относительно низкая эффективность их окультуривания в зональной системе земледелия, связаны с тем, что традиционные приемы исследования природы образования солонцовых почв заключены в рамках представлений о процессах, происходящих только в профиле подлежащей мелиорации почвы (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А., 1973). Связи этой почвы с другими типами почв сложного комплексного покрова остаются вне сферы изучения и не принимаются во

12 внимание при мелиорации. Мониторинг этих объектов до настоящего времени

не производится, хотя имеются возможности аэрокосмических методов.

Агромелиорация пространственно неоднородных почвенных объектов должна предусматривать функционирование почвы как открытой системы, находящейся в постоянном массо- и энергообмене с окружающей средой в качестве структурной единицы биогеоценоза, биосферы. Состояние комплексов почв во многом определяется массообменом между элементами почвенного континуума, поэтому протекание агромелиоративного процесса зависит не только от изменений конкретного почвенного профиля, выбранного в качестве основного объекта мелиорации. Ход агромелиорации в значительной степени определяется характером механизмов взаимосвязи отдельных компонентов почвенной комбинпции, т.е. зависит от структуры почвенного покрова. Ранее было показано (Минкин М.Б., Калиниченко В.П., Садименко П.А., 1986), что микрокомплексность почвенного покрова каштановой зоны сухой степи является одним из факторов стабилизации свойств природной почвенной системы, характеризуется значительным засолением и осолонцеванием повышенных элементов поверхности при промытости понижений и некоторой солонцевато-сти промежуточных по высоте позиций микророльефа. Облик почвенной комбинации обусловлен особенностями ее гидрологического режима.

Значительная часть исследований посвящена проблеме количественной характеристике процессов влаго- и солепереноса в комплексах почв степной и сухостепной зон, которые в решающей степени определяют облик соответствующего почвенного континуума, поиску новых подходов к мелиорации земель со сложной структурой пространственно неоднородных агроландшафтов, созданию способов мелиоративного, в том числе дистанционного аэрокосмического мониторинга, разработке технологий и технических средств управления пространствено микронеоднородными агроландшафтами в условиях зональной и мелиоративной агрокультуры, обеспечивающих интенсификацию земледелия и мелиоративного процесса.

13

Исследованиями ДГАУ выполнен модельный эксперимент до формирования, развитию и поддержанию устойчивости структуры почвенного покрова сухой степи. Дана количественная характеристика процессов массопереноса в солонцовых почвах каштановой зоны на базе имитации соответствующих условий почвообразования.

1.2. Экологическая реакция растений на изменяющиеся условия внешней среды

Биогеоценотическая ландшафтная система черноземных комплексов и сочетаний почв имеет свои особенности. С позиции биоклиматической фациаль-ности почв степной зоны здесь имеют место предпосылки развития черноземного процесса почвообразования. Однако в литолого-геоморфологическом плане генеральная совокупность почвенных образований во многом испытывает столь сильное дифференцирующее действие, особенно в смысле разнообразия эрозионной проработки современных и погребенных геоморфологических форм, что фациальное обобщение приводит к утрате информации о конкретных вариантах функционирования локальных почвенных тел.

Наряду с безусловной необходимостью систематизации зональных процессов почвообразования, следует иметь в виду серьезные предпосылки микро- и мезонеоднородности почвенного покрова. Значительная часть земель характеризуется наличием пространственной фрагментарности объектов почвенно-географического пространства, которые более адекватно интегрируются с точки представлений о пространственной неоднородности агробиогеоценотиче-ских систем.

14

С точки зрения характеристики агробиогеоценотических систем самым

Смена агробиоценоза обусловливает тенденцию обратной связи, когда снижение расхода влаги в гидроцентре черноземно-мочаристого комплекса ведет к его экспансии вверх по склону и агробиогеоценотическая система приобретает черты комплекса. Более напряженная ситуация имеет место если происходит более выраженная локализация грунтового потока в гидроцентре, происходит большая экспансия переувлажнения вверх по уклону и, кроме того, горизонтальное растекание. В каждом случае трансформация биоценоза в горизон-

15

тальном направлении дает обратную связь в гидроцентр, который при этом испытывает еще большее промачивание. Возникает комплекс почв.

В настоящее время усиление роли антропогенных факторов облика почвенного покрова черноземов предполагает изучение новых причин мезонеодно-родности и микронеоднородности почвенного покрова, который функционирует, в основном, через реализацию топо-флювиальных, гидрогеологических и ирригационно-водохозяйственных взаимодействий между его компонентами. Имеют место также и внешние воздействия на них той же природы (Володин В.М., Еремина Р.Ф. и др., 1989).

В такой системе постоянно появляются новые устойчивые тенденции микронеоднородности. К числу их следует относить возможность усиления лугово-сти или засоления в микропонижениях, возможность остепнения или засоления микроповышений при боковом влагосолепереносе, тренды формирования взаимосвязей по типу сочетания при наличии подтопления от водохозяйственных, ирригационных объектов с высокими бытовыми уровнями воды в пределах территории поймы. Имеет место не только пространственная неоднородность, высокая вероятность наложения перечисленных явлений на качественном уровне.

Краткое перечисление некоторых вероятных путей трансформации актуальной структуры ландшафтной системы позволяет предложить ее современное состояние как стадию антропогенной дифференциации на микроуровне в пределах сложившихся мезоуровневых структур агробиогеоценотических систем. В качестве предварительного заключения можно указать, что использование

16

традиционных объектов агрокультуры с высокой биопродуктивностью, во-первых, исключает индифферентный подход в расчете на стабилизацию новой высокопродуктивной биогеоценотической системы по завершении стадии ее текущей нестабильности, во-вторых, корректное антропогенное воздействие на сложившиеся агробиогеоценотические системы должно базироваться на приоритете регулирования процессов локальной дестабилизации свойств. Иначе агробиогеоценотическая система дополнительно дифференцируется по отношению к традиционному интразональному, а тем более - зонально-фациальному агрокультурному подходу к использованию земель в рамках сложившейся не вполне адаптированной агроландшафту зональной системы земледелия (Бабушкин В.М., Скуратов Н.С., 1981, Беспамятнов Н.М., 2001, Ермоленко В.П., Листопадов И.Н. , 1978, 2000, Ермоленко В.П. и др., 1996, Комов Н.В., Лойко П.Ф., Жиров А.А., 1994, Комплексная программа повышения плодородия почв Ростовской области, 1992, 1996, Кочетов И.С., Белолюбцев А.И., Чебаненко СИ., Григоров А.А., 2000, Кочетов И.С., Лукин СВ., Лисецкий Ф.И., Марциневская Л.В., 2000, Листопадов И.Н., Шапошникова И.М., 1984, 2001, Михно В.Б., 1995, Мустафин И.И., 2001, Нечаев В.И., Гортлевский А.А., 2000, Никитин Е.Д., Скворцова Е.Б., 2001, Рекс Л.М., 1995, Розанов А.Б., Розанов Б.Г., 1990, Тюлин В.А., Иванов Д.А., Петрова Л.И., Саликов Р.А., 2000, 2001).

17

1.3. Теоретические и практические основы прогнозирования урожайности полевых культур на основе дистанционного зондиро-

Необходимость полевых исследований и аэрокосмического мониторинга биогеоценотических систем на объектах различной агрокультуры обусловлена тем, чтобы определить особенности формирования урожайности сельскохозяйственных растений в зависимости от условий культуры, экологическую реакцию на почвенные условия, условия влагообеспеченности биогеоценотической системы. Подлежит изучению последействие агромелиорации, необходима разработка эффективной технологии выращивания полевых культур на базе принципа повышения агромелиоративной эффективности почвообрабатывающих орудий. Необходимо апробировать и усовершенствовать технологию анализа структуры посевных площадей и севооборотов, состояния озимых зерновых культур по данным дистанционного зондирования Земли в системе мониторин-f1 га сельскохозяйственного производства в порядке типизации агроэкосистем,

оценки биологической продуктивности агрокультуры в экосистемах.

Региональный аспект создания эффективных технологий возделывания полевых культур в условиях Ростовской области состоит в разработке технологии выращивания культуры, которая, с одной стороны, адаптирована ландшафту, а, с другой стороны, позволяет производить мониторинг и управлять агро-. ландшафтом с точки зрения его устойчивости и максимума продуктивности.

Теоретические и практические основы программирования урожайности полевых культур предполагают адекватную характеристику процессов, происходящие в агрофитоценозе.

Исследование временных и пространственных аспектов сукцессии агро-ландшафтной системы дистанционными методами, с точки зрения системной экологии - изучения взаимодействия сообществ с абиотической средой оби-