Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические факторы формирования запасов свободной почвенной влаги и продуктивности яровой пшеницы в ландшафте

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические факторы формирования запасов свободной почвенной влаги и продуктивности яровой пшеницы в ландшафте"

005556281

На правах рукописи

Анисимов Денис Александрович

Экологические факторы формирования запасов свободной почвенной влаги и продуктивности яровой пшеницы в ландшафте

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

4 /Л 2014

Ульяновск - 2014

005556281

Работа выполнена в Государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Россельхозакадемии»

Научный руководитель: Медведев Иван Филиппович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Каргин Василий Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева», кафедра технологии производства и переработки растениеводческой продукции, профессор Евдокимов Николай Анатольевич кандидат биологических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра ботаники, химии и экологии, доцент

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации, г. Энгельс

Защита состоится «26» декабря 2014 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, на сайте ВУЗа http://www.ppo.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации -http://www.vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан ¡ЬкЛ'^ рУ^ 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент Ч^фг&и С.В. Пантелеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устойчивое функционирование экосистем требует постоянной оценки состояния ее основных показателей. Почва - важнейшая для биосферных процессов субстанция чрезвычайно чувствительна к изменению как биотических, так и абиотических условий ее функционирования (Докучаев, 1936; Вильяме, 1939). На фоне потепления климата, увеличения количества атмосферных осадков в холодный период года, значительный рост температуры и снежности зим, характеризуется снижением глубины промерзания почвы, уменьшением инерции холода и улучшением условий поглощения талых вод почвой. В то же время, интенсивное хозяйственное использование почвенного покрова, существенно изменяют водно-физические свойства почвы, которые, в значительной мере, определяют стабильность почвенных режимов и экологическую безопасность ландшафтов в целом (Кирюшин, 1996; Каштанов, 2003).

Интенсивное поступление водных потоков в почвенную систему, в выраженных по рельефу ландшафтах, особенно в период процесса замерзания -оттаивания почвы, приводит к усилению горизонтальной и вертикальной миграции по профилю почвы свободной влаги и растворенных в ней питательных элементов, что создает неравноценные условия для формирования продуктивности биоценозов по фациям ландшафта.

Более 60% черноземной пашни Саратовской области приурочены к склонам различной крутизны и экспозиции. Особенно сложной геоморфологической структурой характеризуется Приволжская возвышенность. Пестрота почвообразующих пород, высокая распаханность территории (более 70%) создают условия для активного проявления различных деструктивных процессов. Степень поражения почв только эрозионными процессами в зоне проведения исследований составляет 70%.

В засушливых условиях юго-восточной части Поволжья, на фоне активного проявления процессов деградации почвенной и растительной систем, вопросы комплексного влияния абиотических и биотических условий на динамику формирования и использования запасов свободной влаги в почве оказались недостаточно изученными. Это обстоятельство и послужило основанием для проведения исследований, результаты которых представлены в нашей работе.

Цель и задачи исследования. Цель работы - выявить уровень влияния основных биотических и абиотических факторов в ландшафте на процесс формирования и годичную динамику запасов свободной почвенной влаги и реакцию на них яровой пшеницы.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать фациальные особенности изменения физических и водно-физических свойств почвы в ландшафте.

2. Выявить основные факторы формирования снежного покрова, глубины промерзания почвы и зоны активного сброса снеговой воды в почвенную систему.

3. Изучить сезонную и профильную динамику перераспределения по фациям запасов свободной влаги в почве, определить зоны наиболее активной ее аккумуляции.

4. Установить реакцию яровой пшеницы на изучаемые факторы в ландшафте.

5. Провести энергетическую оценку возделывания яровой пшеницы.

Научная новизна работы. Впервые в ландшафтных условиях на черноземе

южном выявлен уровень влияния отдельных биотических и абиотических факторов на процесс формирования запаса свободной почвенной влаги, его годовую и сезонную динамику. Изучена биологическая реакция яровой пшеницы на экологические факторы, в зависимости от фациального ее размещения в ландшафте. Изучено влияние различных ценозов на формирование запасов свободной влаги в почве. Выявлены фациальные особенности формирования продуктивности яровой пшеницы.

Исследования проводились в рамках Государственной тематики РАСХН на 2010 - 2015 гт. 03.01.01 и 02.03.03.01, на 2 сертифицированных РАСХН длительных стационарных опытах (№056-057).

Научно-практическая значимость работы. Полученные результаты исследований послужат для разработки экологически обоснованных стабилизации распаханных ландшафтов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Молодые ученые - агропромышленному комплексу Поволжья» (ГНУ НИИСХ Юго-Востока, г. Саратов, 2010, 2012, 2013 гг.); конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО СГАУ им. Н. И. Вавилова (г. Саратов, 2012, 2013 гг.); международных научно-практических конференциях «Вавиловские чтения» (г. Саратов, 2011, 2012 гг.); Всероссийской научно-практической конференции ГНУ ВНИИЗ и ЗПЭ «Сохранение и воспроизводство плодородия почв в ландшафтном земледелии» (г. Курск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» (г. Екатеринбург, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 — в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Декларация личного участия. Диссертантом выполнен весь объем экспериментальной работы, проведены обработка и анализ результатов, согласно плану, разработанному с научным руководителем. Долевое участие автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет 50-70%.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 158 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав и выводов, включает 33 таблицы, 13 рисунков, имеет 19 приложений. В список литературы входят 218 источников, из них - 16 зарубежных авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физические и водно-физические свойства чернозема южного активно участвуют в формировании запасов свободной влаги в почве.

2. Погодные условия и фациальные особенности снегонакопления определяют глубину промерзания почвы.

3. Сезонная и годовая динамики запасов свободной почвенной влаги по фациям находятся под влиянием физических свойств почвы и биопродуктивности ценозов.

4. Биологическая и энергетическая реакции яровой пшеницы определяются экологическими особенностями элементов ландшафта и количеством выпадающих осадков в теплый период года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность исследований, его практическая и теоретическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования.

Глава 1. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ФОРМИРОВАНИИ ЛАНДШАФТНЫХ ЗАПАСОВ ВЛАГИ В ПОЧВЕ И ПРОДУКТИВНОСТИ ВОЗДЕЛЫВАЕМОЙ КУЛЬТУРЫ (обзор литературы)

В данной главе, с целью определения алгоритма исследований, проводился анализ литературы по влиянию основных экологических факторов ландшафта на процесс формирования и сезонную динамику запасов свободной почвенной влаги в различных природно-климатических зонах страны, а также биологическую реакцию яровой пшеницы.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИХ МЕТОДИКА

Наблюдения проводились в ландшафте на водораздельной фации, на склонах северной (ССЭ) и южной (СЮЭ) экспозиций, а также в ложбине склона северной экспозиции.

Исследования проводились в соответствии с методическими рекомендациями НИИСХ Юго-Востока, ВНИИЗ и ЗПЭ, ВИУА, Гидрометеослужбы, почвенного института им. В.В. Докучаева, а также с учетом методических разработок С.С. Соболева (1961), Н. А. Качинского (1965), A.A. Роде (1969), Е.А. Дмитриева (1972), Г.П. Сурмача (1976), Б. А. Доспехова (1985), А.Д. Воронина (1986), А.Ф. Вадюниной и З.А. Корчагиной (1986).

Химические анализы почвы включали в себя: нитратный азот (N03) в почвенных образцах определялся потенциометрическим методом на иономере, подвижные формы фосфора и калия - в 1% углеаммонийной вытяжке по Мачигину по ГОСТ 26205-91.

Водно-физические свойства: гранулометрический состав почвы определялся пирофосфатным методом по Качинскому, плотность сложения почвы — методом режущего кольца в пятикратной повторности для горизонтов А и В и в трехкратной повторности для горизонтов ВС и С.

Запасы почвенной влаги определялись термостатно-весовым методом, с пересчетом общих запасов влажности на запасы свободной влаги в мм. Изъятие почвенных образцов осуществлялось до глубины 150 см, через каждые 10 см, ежемесячно. В основу метода сушки образцов положено определение количества воды имеющейся в почве, путём высушивания образцов, вынутых из почвы. Этот метод предусматривает измерение всего количества содержащейся в почве воды - суммы почвенной влаги всех категорий. Поскольку при этом необходимо отделить от почвы и связанную воду, высушивание образцов производится при температуре 105-115° и продолжается до постоянного веса. Разность в весе исследуемого образца до и после высушивания даёт непосредственно количество воды в данном образце. Для выемки образцов почвы применяют бурав АМ-16, позволяющий брать пробы как талой, так и мёрхтой почвы.

Высота снегового покрова определялась путём снегомерной съёмки, по средствам переносной рейки, через каждые 10 см, начиная от лесной полосы, заканчивая серединой поля. Плотность снега определялась плотномером ВС-43, на расстояниях 25, 50, 100, 150 м от лесной полосы.

Учет биопродуктивности проводился сплошным комбайнированием с помощью комбайна «Сампо» в 3-х кратной повторности, на делянках, приуроченных к почвенным разрезам.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ЛАНДШАФТЕ

Анализируются: влияние микроклиматических факторов и рельефа на формирование сроков начала снеготаяния и изменение гранулометрического состава по фациям ландшафта. Наиболее ранние сроки начала снеготаяния наблюдались на СЮЭ. На ССЭ они были сдвинуты на 3-4 дня. В отрицательных формах рельефа (ЛССЭ), по сравнению с положительными формами, процесс снеготаяния начинался с запозданием на 4-5 дней. Наиболее тяжелые по гранулометрическому составу почвы находятся в нижней фации склона ЮЭ. В среднем по 1,5 м слою почвы содержание физической глины в почве этой фации достигает почти 60%, а на верхней - 50,8 %.

Максимальное содержание физической глины в слое 0-20 см на ССЭ отмечается на верхней фации склона - 57,8%. В гранулометрическом составе нижележащих по склону фациях относительное содержание фракции физическая глина уменьшается в среднем всего лишь на 2%, достигая значения 55,9% на нижней фации склона (табл. 1 ).

Таблица 1. Показатели мониторинга гранулометрического состава слоя почвы 0-20 см на исследуемых склоновых фациях ландшафта (1990-2010 гг.)

Элемент рельефа Годы Размер фракций, мм Название почв по гранулометрическому составу

1,00,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 <0,00 1 <0,01

Водораз дел 1990 1,3 12,0 22,7 8,2 16,3 39,5 64,0 глина легкая крупно-пылевато-иловатая

2010 1,3 32,4 15,9 7 15,5 27,9 50,4 суглинок тяжелый мелко-песчано-иловатый

СЮЭ 1990 2,4 15,5 25 7,7 17,2 32,2 57,1 суглинок тяжелый крупно-пылевато-иловатый

2010 2,9 21,9 24,1 8,5 16,7 25,9 51,0 суглинок тяжелый крупно-пылевато-иловатый

ССЭ 1990 2,3 14,0 23,7 6,1 17,3 36,3 60,0 глина легкая крупно-пылевато-иловатая

2010 1,1 21,3 22,9 8,1 16,1 30,6 54,8 суглинок тяжелый иловато-песчаный

лссэ 1990 0 13,4 25,6 7,5 17,3 36,2 61,0 глина легкая крупно-пылевато-иловатая

2010 2,8 30 17,9 8,4 13,3 27,6 49,3 суглинок тяжелый песчано-иловатый

Выявленная тенденция фациального снижения фракции физическая глина на повышенных формах рельефа подтвердилась и для отрицательных форм рельефа, расположенных на этом же склоне. В ложбине уровень снижения этой фракции вниз по ложбине от фации к фации был более высоким и в среднем, составил 7%. Потепление климата привело к сдвигу сроков наступления процесса снеготаяния на СЮЭ по сравнению с северным склоном с 7-8 до 3-5 дней. Колебания по содержанию физической глины по фациям ССЭ менее выражены, чем на СЮЭ, что связано с различным уровнем интенсивности водоэрозионных процессов.

Мониторинговые данные свидетельствуют, что эрозионные процессы и механические обработки почвы ведут к изменению водно-физических свойств. В среднем за последние 20 лет, на водораздельной фации (крутизной <1°) содержание фракции физическая глина в пахотном слое уменьшилось с 64% в 1990 г. до 50,4% в 2010 г., на ССЭ с 60,0 до 54,8% и на СЮЭ с 57,1 до 51,0%. В отрицательных формах рельефа содержание фракций физическая глина и ила уменьшилось, соответственно, с 61,0 и 36,2% в 1990 г. до 49,3 и 27,6% в 2010 г. Наиболее уплотненная почва в 1,5-метровом слое находится на верхней фации СЮЭ, а также на средней и нижней фациях ССЭ и средней фации ложбины ССЭ. Величина плотности почв в ложбине на 0,13 и 0,14 г/см3 выше, чем на склонах северной и южной экспозиций, соответственно, и на 1,16 г/см3 выше, чем на водоразделе (табл. 2).

Таблица 2. Фациальное перераспределение плотности сложения по генетическим горизонтам в 1,5-метрового слое почвы, г/см3

Названи е горизон TOB Фации

СЮЭ водора здельн ая ССЭ ложбина ССЭ

верхняя нижняя верхняя средняя нижняя верхняя средняя нижняя

А пах 1,26 1,17 1,17 1,24 1,29 1,11 1,28 1,27 1,14

В 1,32 1,22 1,25 1,28 1,29 1,15 1,28 1,43 1,08

ВС 1,49 1,28 1,36 1,43 1,42 1,48 1,33 1,51 1,42

с 1,54 1,39 1,47 1,4 1,48 1,59 1,48 1,52 1,42

Установлен умеренный уровень корреляции между фракцией физическая глина и плотностью сложения почвы (i=0,4). Лесные насаждения в условиях склонового ландшафта создают благоприятные условия для структурообразования как в почвах под насаждениями, так и в почвах, прилегающих к ним полей.

Более выраженный динамизм улучшения структуры отмечен в отрицательных формах рельефа. По мере приближения к лесной полосе происходит улучшение структуры и ее водопрочности на всех фациях ландшафта. Многолетние травы способствуют росту содержания в почве доли фракций размером 0,25-10 мм на 11,6%, а водопрочных агрегатов - на 6,0%.

Установлена корреляционная зависимость между плотностью сложения почвы и запасами свободной влаги в 1,5-метровом слое почвы. В зимне-весенний период она была повсеместно отрицательной, кроме нижней фации ложбины. В летний период (середина июля - середина августа) коэффициент корреляции становится положительным, а с середины сентября зависимость между этими показателями вновь приобретает отрицательные значения (г=-0,89...-0,96). По фациям ложбины сезонная корреляционная зависимость запасов свободной влаги от плотности сложения почвы была менее значимой, чем для склоновых фаций.

Глава 4. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ СНЕГОВОГО ПОКРОВА И ГЛУБИНЫ ПРОМЕРЗАНИЯ ПОЧВЫ В ЛАНДШАФТЕ

В среднем за три года, мощность снегового покрова на водораздельной фации составила 37 см, запас воды в снеге — 98 мм, плотность снегового покрова - 0,27 г/см3.

На СЮЭ мощность снегового покрова и плотность его сложения была на уровне водораздела, а запас воды в нем на 8,6% выше, чем на водораздельной фации. На ССЭ эти превышения составили 5 см или 13,5%, а в ложбине, соответственно, 9 см и 24,3%. Плотность сложения снега практически по всем исследуемым фациям была на одном уровне. Запас воды в снеге увеличивался по следующей схеме: водораздел (98 мм) - СЮЭ (104,5 мм) - ССЭ (107 мм) -ложбина ССЭ (118 мм) (табл. 3).

Таблица 3. Влияние элементов рельефа на экологическое состояние снегового _покрова перед снеготаянием (в среднем за три года)_

Показатели Фации

водора здел СЮЭ ССЭ ложбина ССЭ

верх няя нижняя верх няя сред няя ниж няя верх няя сред няя ниж няя

1. Мощность снегового покрова, см 37 36 38 45 46 36 42 56 40

2. Запас воды в снеге, мм 98 99 110 124 104 93 130 122 103

3. Плотность снега, г/см3 0,27 0,27 0,28 0,27 0,27 0,26 0,29 0,25 0,25

Математическая обработка данных

Показатели НСРо,5 f теор

Мощность снегового покрова 1,825 2,59 113,933

Запас воды в снеге 1,527 2,59 661,695

Плотность снега 0,016 2,59 6,095

Выявлены фациальные различия в показателях состояния снегового покрова. На СЮЭ наибольшая мощность снегового покрова отмечалась на нижней фации, а на ССЭ и в ложбине - на средних по рельефу фациях. Наиболее активно почва промерзала на ССЭ. Глубина промерзания на верхней фации ССЭ опускалась по почвенному профилю на 6 см ниже, чем на водораздельной фации. На СЮЭ и в ложбине глубина промерзания была меньше, соответственно на 13 и 5 см, чем на водораздельной фации. По мере движения вниз по склонам, независимо от формы рельефа, глубина промерзания почвы уменьшалась. Глубина промерзания почвы к концу процесса снеготаяния, по сравнению с его началом, уменьшилась на ССЭ в 2,5 раза, в ложбине в 3,2 и на СЮЭ в 3,4 раза. Наиболее активно почва оттаивала на средних фациях склона и ложбины СЭ, через которые снеговая вода в период снеготаяния, включая и воду с других, вышерасположенных по рельефу фаций, поступала в почвенную систему.

Глава 5. ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСОВ СВОБОДНОЙ ВЛАГИ ПОЧВЫ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВО ВРЕМЕНИ

В среднем за три года, доля твердых в годовом общем балансе атмосферных осадков составила 58%. При этом среднегодовой запас свободной влаги в 1,5-метровом слое почвы колебался в зависимости от элементов рельефа: на водораздельной фации он составил 173 мм, на склоновых фациях СЭ - 178 мм, на «слоновых фациях СЮЭ - 209 мм, на ложбинных фациях - 238 мм (рис. 1).

Рис. 1. Сезонная динамика запасов свободной влаги 1,5-метрового слоя почвы

по элементам рельефа, мм

Складывающиеся условия снеготаяния за годы проведения опытов способствовали поступлению влаги твердых осадков в почвенную систему и перемещению их за пределы 1,5-метрового слоя почвы. Учитывая, что испарение влаги в теплый период года в основном происходит из верхних горизонтов почвы, погодные условия весенне-летнего периода, независимо от элементов рельефа, не оказали существенного влияния на запас свободной влаги в почве. Различия в содержании общих запасов влаги 1,5-метрового слоя почвы, между острозасушливым 2011 годом (ГТК=0,4) и относительно благополучным по погодным условиям 2013 гг. (ГТК=1,27) составили 3,5% (рис. 2).

Конец периода в«иа Л«о Осип. - гама

снеготовшя

- Водораздельная фация -Верхняя фация ССЭ "— №мияя фацня ССЭ

Рис 2. Профильное сезонное распределение свободной влаги по фациям ландшафта, мм

Выявлены сезонные колебания запасов свободной влаги в почве. В условиях, когда ландшафт имеет ярко выраженный рельеф местности, а зеркало грунтовых вод находится на глубине 3 - 5 м, снижение запасов свободной влаги нижних слоев почвенного профиля в теплый период года обусловлено, прежде всего, горизонтальной миграцией их по склону и вертикальным перемещением в грунтовые воды.

Максимальные абсолютные потери среднегодового запаса свободной влаги на ССЭ были выявлены в весенний период (апрель - май). Потери на водораздельной и средней по ССЭ фации составили 66-67 мм или 25-27% от общих запасов в 1,5-метровом слое почвы. На верхней и нижней склоновых фациях эти потери оказались, соответственно, на 29,6% и 52,2% ниже, чем на водоразделе, что указывает на миграцию ее вниз по склону. Относительные максимальные потери влаги наблюдались в летний период (июнь-август). К этому времени основной запас сводной влаги (43%), независимо от фациальной принадлежности, размещался в слое 100-150 см. В августе, по сравнению с июнем, запас свободной влаги 1,5-метрового слоя почвы на водораздельной фации уменьшился на 64%, а на верхней и нижней склоновых фациях, соответственно, на 54 и 58%. Самые низкие относительные потери влаги были отмечены на средней по склону фации (12%). В осенне-зимний период года (сентябрь-февраль) баланс свободной влаги в 1,5-метровом слое почвы был положительным по всем наблюдаемым фациям (табл. 4).

Таблица 4. Сезонный баланс запаса свободной влаги в 1,5-метровом слое почвы ___по различным фациям_

Время Водораз Фации ССЭ

проведения дельная верхн средн нижн в фации ложбина

наблюдений фация яя яя яя среднем верхняя средняя нижняя в среднем

Апрель 269 265 251 200 238 314 270 304 296

Май 203 218 184 165 189 257 231 245 244

Баланс* -66 -47 -67 -35 -49 -57 -39 -59 -52

25 18 27 18 21 18 14 19 18

Июнь 170 177 162 108 149 210 209 239 220

Август 61 82 142 45 89 117 191 175 161

Баланс -109 -95 -20 -63 -60 -93 -18 -64 -59

64 54 12 58 40 44 8 27 27

Сентябрь 69 67 150 59 92 102 159 187 149

Ноябрь 135 145 182 113 147 193 165 290 216

Баланс +66 +78 +32 +54 +55 +91 +6 +103 +67

51 54 18 48 37 47 4 35 31

Декабрь 169 203 219 138 187 310 254 214 259

Март 186 237 255 189 227 310 325 271 302

Баланс +17 +35 +36 +51 +40 0 +71 +57 +43

9 14 14 27 18 22 21 14

* - над чертой - баланс запаса свободной влаги в мм; под чертой - баланс запаса свободной влаги в %

Приток свободной влаги в осенне-зимний период обусловлен, прежде всего, частичным подъемом из нижележащих горизонтов промерзшим слоем почвы, а также территориальным перераспределением ее между лесными полосами и открытым полем. В среднем по всем склоновым фациям, прирост свободной влаги за зимний период (декабрь - март) составил 40 мм.

В пониженных формах рельефа среднегодовой запас свободной влаги, за счет стекания туда осадков с поверхности и большего снегонакопления, оказался на 134 мм или 41,9% выше, чем на водоразделе и на 38,4%, чем на ССЭ, что привело к появлению на поверхности почвы верховодки (рис.3).

Рис. 3. Выход верховодки в ландшафте на средней фации ложбины

Свободная почвенная влага, наряду с горизонтальной миграцией, постоянно перемещается вовнутрь 1,5-метрового слоя почвенного профиля и за его пределы в грунтовые воды. Наиболее интенсивно вертикальное перемещение влаги происходит в период снеготаяния и размерзания почвенного профиля.

Наблюдения на водораздельной фации показали, что в начале периода снеготаяния, слой почвы 0—50 см аккумулировал 102 мм или 45,5% общих профильных запасов, а слой 50-150 см, соответственно, 54,5%. В середине периода снеготаяния, в слое 0-50 см запас влаги увеличился на 14%, а в слое 50-150 см - уменьшился на 31%. В конце периода снеготаяния, количество влаги в слое 0-50 см осталось прежним, а в слое 50-150 см - увеличилось на 51%. Запас влаги в слое почвы 100-150 см увеличивается вплоть до июня, с последующим постепенным его снижением до конца августа. В летний период запас влаги в слое 100-150 см снижается на 37 мм, а осенью - на 23 мм.

Установлена отрицательная корреляционная зависимость между запасами свободной влаги и содержанием физической глиной. На водораздельной фации и фациях ССЭ зависимость оказалась отрицательной средней (г=-0,67...-0,46). В ложбине, средняя положительная зависимость (г=0,41) наблюдалась в летний период, а отрицательная - в зимний период (г=-0,44). Наиболее высокая зависимость на СЮЭ наблюдалась в зимний период (г=-0,71). Корреляционная связь влаги с плотностью сложения почвы, независимо от элемента рельефа, в

теплый период года была положительно умеренной (г=0,23-0,38), а в зимний период от отрицательно умеренной, в ложбине ССЭ (г=-0,33), до отрицательно высокой на водораздельной фации (г=-0,81).

Глава 6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОФИТОЦЕНОЗА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЛАНДШАФТА

Биопродуктивность агрофитоценоза сорта яровой пшеницы определялась рельефом ландшафта, его микроклиматом, уровнем обеспеченности почвы влагой и обеспеченностью почвы питательными веществами. Проведенные наблюдения за развитием яровой пшеницы на различных по обеспеченности питательными элементами фонах (по пласту многолетних трав и без трав) выявили неравнозначную поэтапную связь развития яровой пшеницы с отдельными экологическими факторами.

Важную роль в формировании биопродуктивности играет содержание в почве основных элементов питания. Наибольшее содержание питательных элементов, перед посевом, отмечалось на верхней части СЮЭ по яровой пшенице. В среднем за 2011-2012 гг., содержание N03, Р205 и К20 было выше на верхней фации СЮЭ на 54, 56 и 17 %, чем на нижней фации, что объясняется вымыванием питательных элементов вниз по склону, где они вымываются за пределы 1,5-метрового профиля почвы (рис. 4).

Рис. 4. Фациальное распределение питательных элементов, мг/кг, склон ЮЭ

Распределение питательных элементов по склону на посевах яровой пшеницы по пласту многолетних трав имеет менее дифференцированный характер. Различия в содержание питательных элементов по фациям склона не превышали 11, 16 и 8%, соответственно, МОз, Р205 и К20.

Было также выявлено количество свободной влаги, вынесенное за пределы 1,5-метрового слоя, в период вегетации яровой пшеницы на фациях СЮЭ. Наибольшее количество свободной влаги в почве, в период развития яровой пшеницы отмечалось в 2011 г., в году, с наибольшей биопродуктивностью яровой пшеницы - 215 и 239 мм, соответственно, на верхней и нижней фациях. В 2012 и 2013 гг. предпосевной запас свободной влаги был, соответственно, на 21 и 9% ниже, чем в 2011 г.

Исходя из влагопотребления растениями влаги - 10 мм влаги на 1 ц и учитывая, что почвой усваивается лишь 30% выпавших за период развития яровой пшеницы осадков, наилучшим образом влага усваивалась растениями в 2011 г. На верхней фации склона в 2011, 2012 и 2013 гг., наблюдался вынос, за пределы 1,5-метрового слоя почвы, 49, 137 и 141 мм влаги, соответственно. Тогда как на нижней фации за пределы 1,5-метрового слоя почвы было вынесено 33, 113 и 181 мм влаги, соответственно, в 2011, 2012 и 2013 гг. Низкий общий уровень биопродуктивности яровой пшеницы обусловлен складывающимися условиями влагообеспеченности почвы. Основные запасы свободной влаги, сформированные за счет твердых осадков зимнего периода, в условиях глобального изменения климата, как правило, формируются в нижележащих горизонтах почвенного профиля и основная масса их, в течение всего теплого периода, не поднимается выше 100-150 см. Как известно, основная масса (60—70%) корневой системы культуры размещается в горизонте 0-60 см. Поэтому в условиях острых засух развитие яровой пшеницы осуществлялось только за счет периодически выпадающих атмосферных осадков. В этих условиях выявлена отрицательная зависимость продуктивности яровой пшеницы с запасами свободной влаги 1,5-метрового слоя (г=-0,49), мощностью снегового покрова (г=-0,6), содержанием воды в снеге (г=-0.45) и плотностью сложения почвы (г=-0,41).

Таким образом, количество усвоенной почвой и растением влаги в период развития яровой пшеницы, прежде всего, зависит от запаса свободной влаги в начале периода вегетации. И потери влаги могут колебаться от 13 %, в год с достаточным запасом свободной влаги до начала вегетации, до 67 %, в год с дефицитом влаги в почве до начала вегетации. В условиях ССЭ максимальная биопродуктивность (0,8 т/га) была получена на водораздельной фации. На повышенных элементах склона СЭ она была на 26,3%, а в ложбине на 43,4% ниже, чем на водораздельной фации.

На СЮЭ, где яровая пшеница возделывалась по пласту многолетних трав, отмечается менее выраженная дифференциация биопродуктивности по фациям склона, чем на ССЭ, соответственно, 1,7 и 1,8 т/га на верхней и нижней фациях. Биопродуктивность яровой пшеницы, возделываемой по яровой пшенице, была на 0,6 и 0,4 т/га ниже, чем биопродуктивность яровой пшеницы, возделываемой по пласту многолетних трав (табл. 5).

Таблица 5

Годы Фации Среднее по фациям

водораздельная (контроль) верхняя средняя нижняя

ССЭ

2007-2009 0,8 0,6 0,6 0,5 0,6

Ложбина ССЭ

2007-2009 - 0,5 0,3 0,5 0,4

Фактор НСР05 Б теор. р факт.

А (годы) 0,627 4,2* 80,0

В (фации) 0,886 6,0* 71,7

СЮЭ

2011-2013 - 1.7* 1,1 - и 1,4 1.75 1,25

Фактор НСР„,5 р 1 теор. Рфакт.

А 0,044 4,3* 30,7

В 0,031 4,3* 9,3

* - над чертой - биопродуктивность яровой пшеницы по пласту многолетних трав; под чертой - яровая пшеница по яровой пшенице

Наиболее объективную оценку влияния экологических факторов на биопродуктивности яровой пшеницы дает ее энергетическая оценка. В рамках изучаемого ландшафта величина энергии, полученной с фитомассой яровой пшеницы, по элементам рельефа склона распределилась в следующем убывающем порядке: склон ЮЭ (46262 МДж/га), водораздел (28341 МДж/га), склон СЭ (21383 МДж/га), ложбина (16196 МДж/га). В соответствии с полученной энергией фитомассы распределился коэффициент энергетической эффективности. Максимальное значение коэффициента получено на водоразделе (11,9) и СЮЭ (11,4), минимальный - в ложбине (6,1) (табл. 6).

Таблица 6

Влияние различных элементов рельефа на энергетический потенциал _фитомассы яровой пшеницы, МДж/га_

Фации склона СЭ Фации ложбины склона СЭ

водоразде льная верхняя средняя нижняя верхняя средняя нижняя

28341 22016 24420 17714 17714 10755 20118

Фации склона ЮЭ

Водоразде льная Верхняя (яровая пшеница по яровой пшенице) Нижняя (яровая пшеница по яровой пшенице) Верхняя (по многолетним травам) Нижняя (по многолетним травам)

28341 33925 43177 52430 55514

Выявлены фациальные особенности формирования энергии фитомассы на различных элементах ландшафта. На повышенных элементах ССЭ более

высокий показатель энергии (24419,9 МДж/га) получен на средней фации, минимальный на нижней фации (17713,9 МДж/га). В отрицательных формах, соответственно, на нижней (20117,9 МДж/га) и средней (20117,9 МДж/га). В соответствии с полученной энергией распределился коэффициент энергетической эффективности (КЭф). Максимальным он был на средней фации ССЭ (10,5), минимальным в нижней его фации (7,8). В ложбине эти показатели распределились следующим образом: максимальное - в нижней фации (8,9), минимальное — в средней фации (5,1). На СЮЭ различия в коэффициентах энергетической эффективности оказались незначительными.

ВЫВОДЫ

1. Наиболее интенсивно гранулометрический состав почвы изменяется на водораздельной фации. Относительное содержание фракции физическая глина в верхнем слое почвы (гор. А) уменьшилось с 64,0% - в 1990 г. до 50,4% — в 2010 г. На склонах северной и южной экспозиций за этот период содержание физической глины снизилось на 6,2%, а в ложбине на 19,2%.

2. Среднегодовая мощность снегового покрова на водораздельной фации и СЮЭ за период проведения исследований составила 37 см, на ССЭ и в ложбине высота снегового покрова была выше, соответственно, на 13,5 и 24,3%, чем на водораздельной фации и СЮЭ. Мощность снегового покрова оказывает непосредственное влияние на глубину промерзания почвы. На верхней фации ССЭ граница промерзания, в среднем за три года, опускалась до 50 см. На СЮЭ она находилась на 13 см, а в ложбине на 5 см выше, чем на водораздельной фации. По мере движения вниз по склону, глубина промерзания почвы независимо от его экспозиции уменьшалась.

3. Максимальный сброс свободной влаги в глубокие слои почвы наблюдались в период полного размерзания почвы. В этот период около 90% всей снеговой воды поступает в почвенную систему. После окончания процесса снеготаяния максимальное содержание свободной влаги отмечается в ложбине. В среднем по всем фациям ложбины 1,5 м слой почвы накапливал 238 мм свободной влаги, что, соответственно, на 25, 17 и 27 % выше, чем на ССЭ, СЮЭ и водоразделе.

4. В условиях ССЭ максимальная биопродуктивность яровой пшеницы (0,8 т/га) была получена на водораздельной фации. На повышенных элементах ССЭ она была на 26,3%, а в ложбине на 43,4% ниже, чем на водораздельной фации. В среднем по СЮЭ, она была на уровне урожая полученного на водораздельной фации, и была на 26,3 и 43,4 % ниже, чем в среднем по фациям ССЭ и ложбины.

5. Величина энергии полученной с фитомассой яровой пшеницы по фациям распределилась в следующем убывающем порядке: СЮЭ (46262 МДж/га), водораздел (28341 МДж/га), ССЭ (21383 МДж/га), ложбина (16196 МДж/га). Максимальное значение коэффициента энергетической

эффективности получено на водоразделе (11,9) и СЮЭ (10,5), минимальное - в ложбине (6,1).

СПИСОК ОБУПЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПУБЛИКАЦИИ В ПЕЧАТНЫХ ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ПЕРЕЧНЕМ ВАК РФ

1. Губарев, Д.И. Применение удобрений в условиях склона и их влияние на продуктивность и качество зерна озимой пшеницы / Губарев Д.И., Медведев И.Ф., Анисимов Д.А. // Энтузиасты аграрной науки Труды КубГАУ. - Краснодар,- 2010 - С. 253-256.

2. Медведев, И.Ф. Рельефные особенности перераспределения продуктивной влаги по профилю в период замерзания-размерзания черноземной почвы // Медведев И.Ф., Анисимов Д.А., Бочков A.A., Орлова И.А. // Вестник СГАУ им. Н.И. Вавилова - Саратов,- 2012 - №11 -С. 25-30.

3. Анисимов, Д.А. Эколого-мелиоративные особенности развития почвенной системы в зоне влияния лесных полос // Анисимов Д.А., Медведев И.Ф., Бочков A.A. // Вестник СГАУ им. Н.И. Вавилова - Саратов.-2013-№11-С. 3-9.

ПУБЛИКАЦИИ В ИНЫХ ИЗДАНИЯХ

4. Анисимов, Д.А. Экологическое состояние почв чернозёмной степи Саратовской области / Анисимов Д.А., Медведев И.Ф., Губарев Д.И., Бочков A.A. // Молодые учёные — агропромышленному комплексу Поволжья — Саратов,- 2010 - С. 231-235.

5. Медведев, И.Ф. Изменение основных факторов процессов снеготаяния на южных черноземах / Медведев И.Ф., Анисимов Д.А., Левицкая Н.Г., Бочков A.A. // Проблемы повышения эффективности использования водных и земельных ресурсов Поволжья - Энгельс. - 2011 - С. 278-280

6. Медведев, И.Ф. Годовой цикл перераспределения атмосферных осадков в почве по элементам рельефа агроландшафта / Медведев И.Ф., Анисимов Д.А., Сиренко Ф.В. // Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства — Саратов. - 2011 - С. 232—236

7. Медведев, И.Ф. Особенности перераспределения запасов влаги зимних осадков в почве по элементам рельефа агроландшафта / Медведев И.Ф., Анисимов Д.А., Деревягин С.С. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные направления исследований в земледелии и растениеводстве» - Ульяновск. - 2011 - С. 262-266.

8. Анисимов, Д.А. Особенности изменения запасов продуктивной влаги в почве на уровне урочища / Анисимов Д.А., Медведев И.Ф., Деревягин С.С., Бочков A.A. // Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы и перспективы аграрной науки в России» - Саратов. - 2012 - С. 170-176.

9. Анисимов, Д.А. Роль рельефа в сезонной динамике продуктивной влаги в почве / Анисимов Д.А., Медведев И.Ф., Деревягин С.С. // Материалы

Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Вклад молодых учёных в инновационное развитие АПК России»

- Екатеринбург. - 2012 - С. 253-257.

10. Анисимов, Д.А. Состояние почвенной влаги в период снеготаяния по различным фациям агроландшафта / Анисимов Д.А., Медведев И.Ф. // Материалы научно-практических конференции!) 3-ей специализированной агропромышленной выставки «Саратов-АГРО 2012» - Саратов. - 2012 - С. 8-10.

11. Медведев, И.Ф. Особенности формирования продуктивной влаги в почвенном профиле по фациям агроландшафта в период снеготаяния / Медведев И.Ф., Анисимов Д.А., Деревягин С.С. // Информационно-технологическое обеспечение адаптивно-ландшафтных систем земледелия

- Курск. - 2012 - С. 178-182.

12. Бочков, A.A. Влияние весеннего переувлажнения почвы на ее физико-химические свойства / Бочков A.A., Анисимов Д.А., Медведев И.Ф. // Инновационное развитие АПК в России. Сборник докладов Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов - Саратов. -2013-С. 236-242.

13. Медведев, И.Ф. Особенности формирования влагозапасов чернозема южного Приволжской возвышенности в лесомелиоративных ландшафтах / Медведев И.Ф., Бочков A.A., Анисимов Д.А. // Основы рационального природопользования, Материалы IV международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова и 40-летию кафедры «Геодезия, гидрология и гидрогеология» - Саратов. - 2013 -С. 130-135.

14. Анисимов, Д.А. Мелиоративное действие лесных полос в условиях склона на черноземе южном / Анисимов Д.А., Медведев И.Ф., Бочков A.A. // Перспективные направления инновационного развития сельского хозяйства (к 170-летию со дня рождения К.А. Тимирязева) Материалы всероссийской научно-практической конференции - Ульяновск. - 2013 - С. 14-18.

15. Медведев, И.Ф. Особенности влагораспределения в склоновых агроландшафтах, защищенных лесными полосами / Медведев И.Ф., Бочков A.A., Анисимов Д.А. // Агротехнологическая модернизация земледелия Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции ГНУ ВНИИЗП и ЗПЭ - Курск. - 2013 - С. 143-149.

Список используемых сокращений

СЮЭ - склон южной экспозиции;

ССЭ - склон северной экспозиции;

ЛССЭ - ложбина склона северной экспозиции;

СЭ - северная экспозиция;

ЮЭ - южная экспозиция.

Подписано в печать 07.11.2014 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 327/2014

Типография ОООп «Орион» 410031, г. Саратов, ул. Московская, 62 тел.: (8452) 23-60-18