География и геология /6 Природопользование и экологический мониторинг; Сельское хозяйство/3 Земледелие, грунтоведение и агрохимия

Д.с-х.н. Иванов Д.А., академик РАСХН Ковалев Н.Г,

к.с-х.н., Анциферова О.Н..

Всероссийский НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель, Россия

Изучение изменения урожайности культур в пределах агроландшафта.

Изучение адаптивных реакций растений на разнообразные условия природной среды требует определенной коррекции методики опытного дела. Отличие ландшафтно-полевого опыта (ЛПО) от классического полевого опыта заключается в отходе от принципа максимальной однородности территории опыта. В сферу интересов ЛПО входит изучение как управляемых, так и неуправляемых факторов, влияющих на продукционный процесс растений.

Целью ЛПО является изучение пространственной и временной вариабельности продуктивности культур в пределах агроэкологического стационара, отражающего типичную ландшафтную обстановку конкретной крупной территории.

Основной гипотезой ЛПО является предположение, что установление закономерностей изменения продуктивности культур в пределах агроландшафта позволит разработать приемы выделения территориально-экологических ниш, однородных в производственном отношении (агроэкологически-однотипных территорий) и распространить эти приемы на репрезентативные территории.

ЛПО характеризуется четкой организованностью во времени и пространстве. Уже при организации стационара проводятся определенные исследовательские работы. ЛПО состоит из трех этапов:

1. Начальный (рекогносцировочный), включающий выбор типичного местоположения, исследование всех компонентов природного комплекса, составление его микроландшафтной карты, а также дробный учет серии уравнительных посевов.

2. Промежуточный (агроэкологический), заключающийся в исследования адаптивных реакций растений на пространственно-временное изменение ландшафтной обстановки в пределах профилей-трансект, пересекающих все микроландшафтные позиции стационара, с целью выделения агроэкологически-однотипных территорий.

3. Заключительный (технологический), состоящий в закладке серии "локальных" севооборотов в пределах агроэкологически-однотипных территорий с целью определения для их условий оптимального набора элементов систем земледелия.

При выполнении рекогносцировочного этапа ЛПО необходимо придерживаться следующих правил:

Учет бассейнового принципа - границы стационара должны строго совпадать с линиями местных водоразделов или тальвегов, то есть агроэкологический стационар должен включать в себя цельную систему взаимосвязанных фаций. Это необходимо для того, чтобы: а) контролировать основные геохимические потоки в пределах агроландшафта; б) иметь возможность целиком исследовать территорию урочищ, подурочищ и фаций, расположенных на территории стационара; в) иметь возможность изучения всего спектра адаптивных реакций конкретного растения; г) образовать систему локальных севооборотов, адаптивно располагающихся в пределах всего агроландшафта.

Учет истории полей - территория стационара должна быть сравнительно однородной по степени и направленности антропогенного воздействия в обозримом прошлом. Для учета истории полей необходимо исследовать архивные материалы. Однако, выполнение бассейнового принципа не позволяет надеяться на то, что склоны разных экспозиций, расположенные на территории стационара, одинаково использовались в прошлом. Допустимо включение в территорию лугопастбищных угодий. При закладке агроэкологического стационара составляется карта не только угодий, вошедших в его пределы, но и предшественников рекогносцировочной культуры.

Учет принципа репрезентативности - площадь стационара должна быть достаточной для охвата всех основных микропозиций, слагающих природную среду данного региона. Принцип репрезентативности связан с бассейновым принципом, так как правильное проведение границ стационара способствует включению в его состав всего разнообразия фаций.

Исследования на стадии рекогносцировки состоят из камерального и полевого этапов. На камеральном этапе собирается максимум фондовой, статистической, картографической, аэрофото- и литературной информации на месторасположение будущего стационара и его ближайшие окрестности. При их изучении составляется общее представление об устройстве его природной среды, а также соблюдается принцип учета истории полей. В ходе дешифрирования аэрофотоснимков создается первичная ландшафтная карта.

На полевом этапе определяются основные черты строения поверхности изучаемого геокомплекса, устройство его почвенного и растительного покрова, а также границы стационара. Проводят полевое уточнение ландшафтных контуров. Создаются гипсометрическая, геоморфолого-литологическая, почвенная карты (с указанием структур почвенного покрова), агрохимические картограммы, геоботаническая карта, карта предшественников уравнительной культуры.

Для определения особенностей пространственно-временного варьирования продуктивности растений и выравнивания элементов плодородия в пределах стационара производят уравнительные посевы сельскохозяйственных культур.

Агроэкологический стационар ВНИИМЗ, занимая площадь 50 га, расположен в пределах конечно-моренного холма с относительной высотой 15 м, с четко выраженными геоморфологическими элементами: обширной плоской вершиной; длинными пологими склонами (до 4-5°) и межхолмными депрессиями.

На его территории превалируют элювиальные процессы (общая площадь элювиальных подурочищ - 51 %). Около 13 % площади занимают транзитно-аккумулятивные подурочища (элементарные геохимические ландшафты (ЭГЛ)), расположенные в пониженных элементах рельефа. 64 % занято фациями с низкой естественной дренированностью, 36 % территории могут достаточно активно сбрасывать излишки влаги. В пределах стационара выделяются три литолого-геоморфологических района:

1) южный склон и южная часть вершины, где мощная песчаная и супесчаная толща подстилается моренными суглинками на глубине 1- 1,5 м; 2) северная часть вершины, верхняя и средняя части северо-восточного склона, с маломощными песчаными отложениями, подстилаемыми мореной на глубине 0,6-0,8 м; 3) нижняя треть северного склона и межхолмная депрессия, где песчаные отложения представлены фрагментарно.

12,6 % площади стационара занято дерново-подзолистыми слабооглеенными почвами, 49,1 % - дерново-подзолистыми глееватыми, а 38,3 % - дерново-подзолистыми глеевыми и дерново-глеевыми почвами. Границы между почвенными комбинациями в основном совпадают с рубежами литолого-геоморфологических районов.

Рекогносцировочный посев ячменя изучался методом дробного учета на 283 делянках, площадью 0,18 га каждая. Различия подурочищ в генезисе рельефа, отложений и почв обусловливают неоднородность урожайности. Она в пределах всего стационара составляет 28,5 ц/га, при коэффициенте вариации 41 %. Урожайность в зоне распространения мощных и среднемощных двучленов равна 24,2 ц/га, а на маломощных двучленах 32,3 ц/га. Вариабельность урожая на мощных двучленах выше, чем на маломощных (V % - 43,6 и 34,3 соответственно).

Для выявления закономерностей формирования урожайности стационар был поделен на 28 прямоугольников, в каждом из которых находилось по 10 делянок. Это позволило сопоставить значения параметров продуктивности и отдельных компонентов агроландшафта. В пределах всего стационара выявляется только одна значительная положительная связь урожайности с запасом воды в снеге. На северо-восточном склоне увеличение размера почвенного контура приводит к снижению урожая, что объясняется большей адаптивностью сложной территории к изменениям погоды. При недостатке влаги пятна глеевых почв "снабжают" влагой слабооглеенные разности, а при ее избытке здесь не наблюдается сильного переувлажнения наиболее заболоченных участков. Простая территория не обладает такими компенсаторными механизмами.

В условиях преобладания среднемощных и мощных двучленов развитие растений лимитирует в основном недостаток влаги. Поэтому здесь велико значение запасов воды в снеге. При увеличении крутизны склона наблюдается усиление дефицита влаги и элементов питания.

Сравнение карты урожайности ячменя с картой ландшафтно-почвенного устройства позволяет выявить основные черты протекания адаптивных реакций растений. Вся территория стационара может быть разделена на 6 комплексов агроареалов, различающихся как по урожайности, так и по характеру ее пестроты. Выделяются три типа сочетаний агроареалов урожайности: 1. Фоновые сочетания, где на фоне монотонно изменяющейся урожайности рассыпаны пятна с ее высокими и низшими значениями; 2. Чередующиеся сочетания, состоящие из перемежающихся пятен различной урожайности, имеющих достаточно сложную форму; 3. Радиальные сочетания, - в центре которых находится пятно с повышенной или пониженной урожайностью, окруженное концентрическими зонами урожайности, изменяющейся к периферии.

Группа элювиально-аккумулятивных фаций характеризуется преобладанием радиальных сочетаний вследствие локальной концентрацией питательных веществ и влаги в микропонижениях. В пределах транзитно-элювиапьных подурочищ пространственная смена мест с преобладанием либо транзитного, либо элювиального процесса приводит к образованию чередующихся сочетаний агроареалов. Группа транзитных ландшафтов характеризуется преобладанием фоновых ареалов, так как процессы транзита веществ способствуют возникновению тренда агроландшафтных свойств.

Основным этапом ЛПО является закладка физико-географических профилей-трансект, пересекающих все микроландшафтные позиции стационара. При их закладке необходимо придерживаться следующих принципов:

1. Принцип ортогональности – агроэкологические трансекты необходимо располагать ортогонально водотокам и водоразделам. Иначе направление трансекты не совпадет с направлением основных геохимических потоков, что не позволит зафиксировать в ее пределах основные ареалы вымывания и аккумуляции веществ. То есть вариабельность параметров природной среды в ее пределах будет малоконтрастной.

2. Принцип репрезентативности - длина трансект должна быть достаточной для охвата всех микропозиций и для получения объема данных позволяющего проводить достоверные статистические исследования.

3. Принцип «спектральности» – расстояние между регулярно расположенными точками опробования должно быть по возможности малым, чтобы охватить максимальный спектр гармоник пространственного колебания показателей изучаемых явлений. Количество точек опробования должно быть как можно большим для получения представительного объема данных.

4. Принцип севооборотности – трансекта, в агрономическом отношении является севооборотным массивом, в пределах которого севооборот развернут в пространстве и во времени. Она должна представлять собой серию параллельных полос, каждая из которых засеяна отдельной культурой севооборота. В пределах трансекты за время ротации происходит перемещение культур в соответствии с ротационной таблицей.

5. Принцип сравнимости – культуры, посеянные на трансекте, не должны существенно отличаться друг от друга по набору местообитаний, т.е. изменение ландшафтных условий в пределах трансекты в перпендикулярном направлении должно быть минимальным.

Трансекта по всей длине должна испытывать единообразное антропогенное воздействие, то есть обработку, сев и уборку необходимо проводить в единые сроки, поддерживать единый фон подкормок, внесения удобрений и обработки пестицидами. При соблюдении этих условий каждая точка трансекты характеризуется единственным различием от соседних только в ландшафтном отношении.

Определение местоположения агроэкологически-однотипных территорий и нанесение их на карту возможно только при наличии регулярной сети точек опробования. Максимальное расстояние между точками опробования определяется в рамках рекогносцировочного этапа ЛПО при геостатистической обработке данных уравнительных посевов. За максимально возможное расстояние между точками опробования принимается значение радиуса скоррелированности (Range), который можно рассчитать также и методом автокорреляционного анализа. При сокращении минимального расстояния между точками опробования, расширяется диапазон высоких частот, доступных для изучения. При увеличении длины трансекты возрастает период наиболее низкочастотной квазисинусоиды, которую удастся зафиксировать.

Измерение показателя в точках опробования дает возможность получить его пространственный ряд - регистрограмму, имеющую вид пилообразной кривой, которая отражает совокупность квазисинусоид, характеризующих многофакторность его изменчивости. Применение элементов теории случайных функций в ходе ЛПО позволяет выделить значимые гармоники в спектре колебаний значений урожайности и других показателей. С точки зрения агрономической практики наиболее важными являются сведения о длиннопериодических колебаниях, так как на их основе можно выделять агроэкологически-однотипные территории и разрабатывать рекомендации по проведению границ угодий и полей.

В пределах трансект на агроэкологическом стационаре ВНИИМЗ был развернут семипольный плодосменный севооборот со следующим чередованием культур:

1) ячмень с подсевом многолетних трав,

2) многолетние травы 1 г.п.;

3) многолетние травы 2 г.п.;

4) озимая рожь;

5) лен;

6) картофель;

7) овес.

Каждая трансекта состоит из 7 параллельных полос, ширина которых 7,2 м, а длина 1400 м. Все агротехнические мероприятия, необходимые для возделывания конкретной культуры, проводятся однотипно по всей длине полосы. Таким образом, достигается минимализация антропогенного воздействия на характер вариабельности урожая. Учет параметров растительного и почвенного покрова производится в регулярных точках опробования, отстоящих друг от друга на 40 м. При определении урожайности вся трансекта разбивалась на 130 десятиметровок.

Анализ геохимической обстановки в пределах стационара показывает, что каждая катена характеризуется закономерной сменой процессов миграции вещества. Вершина характеризуется практическим отсутствием процессов бокового перемещения веществ. При движении вниз по склону интенсивность транзитных процессов достигает максимума в его центральных частях и уменьшается к подножию. В соответствие с этой схемой формируются самые общие черты распределения урожайности культур в пространстве стационара. Культуры, нестационарность длиннопериодических колебаний урожайности которых доказана на 5 % уровне значимости (НСР_0.05 для овса - 3,2 ц/га, ячменя - 2,9 ц/га, картофеля - 5,1 т/га, многолетних трав - 14,3 ц/га) обнаруживают весьма закономерное изменение урожайности. Картофель, характеризуясь пониженной урожайностью в пределах элювиально-аккумулятивного ЭГЛ, увеличивает продуктивность при усилении транзитных процессов и вновь её снижает в межхолмных депрессиях. Овес и ячмень формируют урожайность не только в зависимости от геохимической обстановки, но и под влиянием гранулометрического состава почв. На южном склоне для обеих культур характерен минимум продуктивности в транзитном ЭГЛ, а на северном подобные местоположения отличаются максимальной урожайностью. Многолетние травы, вследствие особой пластичности, образуют одновершинную кривую продуктивности с максимумом в верхних частях северного склона и с минимумом в транзитных ЭГЛ.

На основе полученных результатов можно предложить следующее определение агроландшафта:

агроландшафт - антропогенно-трансформированная геосистема функционально обусловленная процессом перераспределения вещества и энергии мезорельефом, в пределах которой располагается строго определенное количество периодов низкочастотной кривой, описывающей процесс изменения урожайности сельскохозяйственной культуры.

Количество периодов низкочастотной кривой зависит от биологических свойств культуры и морфологических особенностей агрогеосистемы.

Исследования показали, что наиболее значительным фактором, определяющим пространственную вариабельность продуктивности многих культур, является изменчивость геохимической обстановки в пределах агроландшафта. Следовательно,

элементарный геохимический ландшафт можно рассматривать как агромикроландшафт (АМЛ) или элементарный агроареал (ЭАА) - территориальный микрокомплекс, энергетические и геохимические параметры которого определяют однотипный характер (тренд) пространственной вариабельности урожайности сельскохозяйственных культур.

Технологический этап ландшафтно-полевого опыта – важнейшая часть исследовательского процесса, направленная на разработку элементов ландшафтно-адаптивной системы земледелия. Основной метод исследования, применяемый на технологическом этапе ЛПО – классический полевой эксперимент, наиболее полно описанный Б.А. Доспеховым (1979).

Цель технологического этапа – определить основные принципы адаптации технологий возделывания сельскохозяйственных культур к различным ландшафтным условиям.

В задачу технологического этапа входит закладка серии «локальных» севооборотов в пределах либо конкретных АМЛ, либо агроэкологически-однотипных территорий и определения для условий этих агрогеосистем оптимальных наборов элементов системы земледелия. Каждый «локальный» севооборот представляет собой автономный полевой опыт, заложенный на основе всех требований классической методики полевого опыта.

Основные требования к технологическому этапу ЛПО:

1. соблюдение принципа гомогенности, основанного на том, что конкретный локальный севооборот, в зависимости от детальности исследований, проводимых в его пределах, должен полностью размещаться либо в границах одного АМЛ, либо одной агроэкологически-однотипной территории (совокупности АМЛ).

2. учет принципа системности – совокупность локальных севооборотов должна планироваться как единая система, в которой они корреспондируются не только друг с другом, но и с комплиментарными частями трансект.

3. следование принципу дополняемости, вытекающему из положения о том, что пространство локальных севооборотов должно организовываться с учетом возможности добавления к ним балансовых, стоковых и метеоплощадок, а также специфических опытов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Доспехов Б.А. 1985. Методика полевого опыта. М. Агропромиздат. –350с.