Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические особенности состояния агрофитоценоза пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические особенности состояния агрофитоценоза пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири"

На правах рукописи

ЕГОРОВА НАТАЛЬЯ ИВАНОВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТОЯНИЯ АГРОФИТОЦЕНОЗА ПИВОВАРЕННОГО ЯЧМЕНЯ В ЮЖНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

17 АПР 2014

Омск - 2014

005547289

Работа выполнена в Омском государственном педагогическом университете на кафедре экологии и природопользования и в Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства (СибНИИСХ) СО РАСХН

Научный Юшкевич Леонид Витальевич,

руководитель: доктор сельскохозяйственных наук

Официальные Синдирева Анна Владимировна, оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпина

Клапотовский Максим Анатольевич,

кандидат сельскохозяйственных наук, главный специалист по науке отдела растениеводства и землепользования управления растениеводства и механизации Министерства сельского хозяйства и продовольствия Омской области

Ведущая Институт агроэкологии - филиал ФГБОУ ВПО «Челябинская

организация: государственная агроинженерная академия»

Защита состоится «21» мая 2014г. в 4СР3 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.177.05 в ФГБОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет» по адресу: 644099, г. Омск, ул. Набережная Тухачевского, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного педагогического университета и на сайте http://www.omgpu.ru/disser/

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим направить по адресу: 644099, г. Омск, ул. Набережная Тухачевского, 14, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.177.05.

Телефон/факс: 8 (3812) 24-81-05, e-mail: koIpakova@omgpu.ru Автореферат разослан «2$ » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В сложных почвенно-климатических условиях региона при ограниченных материальных ресурсах Западная Сибирь вносит вклад в зерновой баланс страны, производя до 10-12 млн. тонн зерна. На перспективу (до 2015 г.) посев ячменя в области, в том числе и на пивоваренные цели, должен достигнуть более 360 тыс. га, в южной лесостепи — до 120 тыс. га или 18% от посевов зерновых культур.

Повышение продуктивности и качества ячменя - основа экономической стабильности сельскохозяйственных предприятий. Рост производства зерна обеспечивается интенсификацией процесса выращивания, направленного на создание продуктивных агрофитоценозов, улучшение качества зерна, сокращение потерь урожая от сорняков, болезней при сохранении экологической безопасности окружающей среды и снижения ресурсных затрат.

При длительном воздействии антропогенных факторов на почвенный покров происходят изменения элементов плодородия почв и экологического состояния посевов. Важнейшая задача земледелия - производство экологически «чистой» продукции и мониторинг за состоянием почвы, агрофитоценоза посевов ячменя, а также конечной продукции (зерно).

Цель исследований: комплексное изучение многокомпонентной системы «почва-растение - агрофитоценоз пивоваренного ячменя - конечная продукция» при влиянии абиотических, биотических и антропогенных факторов.

Задачи исследований:

1. Выявить закономерности и направленность изменений агрофизических параметров, элементов плодородия черноземных почв при длительном применении ресурсосберегающих систем обработки почвы и средств интенсификации при выращивании ячменя.

2. Определить количественные, качественные изменения агроэкологического и фитосанитарного состояний посевов пивоваренного ячменя в зависимости от воздействия антропогенных факторов (система обработки почвы и средства интенсификации).

3. Установить особенности и степень длительного воздействия приемов обработки почвы, средств интенсификации на микробиологический компонент почвенной среды и питательный режим почвы.

4. Выявить влияние средств интенсификации на формирование корневой системы, листовой поверхности у изучаемых сортов пивоваренного ячменя.

5. Оценить влияние природных и антропогенных факторов на элементы структуры урожая, урожайность и качественные параметры зерна ячменя.

6. Провести экологическую оценку содержания тяжелых металлов, остатков пестицидов, радионуклидов в верхнем слое почвы и конечной продукции (зерно) при длительном применении средств интенсификации.

Научная новизна исследований. Впервые в результате длительных (с 1972 г.) стационарных исследований изучена многокомпонентная система «почва — растение -агрофитоценоз пивоваренного ячменя - конечная продукция» при воздействии приемов обработки почвы и средств интенсификации. Установлены особенности фитосанитарного состояния посевов ячменя в зависимости от воздействия антропогенных факторов. Определено влияние средств интенсификации на формирование корневой системы и фотосинтетическую деятельность у сортов ячменя. Проведен экологический мониторинг состояния почв и конечной продукции (зерно).

Основные положения, выносимые на защиту:

• основные закономерности и направленность изменений агрофизических параметров, элементов плодородия черноземных почв при длительном (40 лет) применении ресурсосберегающих систем обработки почвы и средств интенсификации;

• влияние антропогенных факторов на количественные, качественные изменения фитосанитарного состояния агрофитоценоза пивоваренного ячменя, структуру урожая, продуктивность и качественные параметры зерна;

• агроэкотоксикологическая оценка черноземов, конечной продукции (зерно) пивоваренного ячменя при длительном влиянии ресурсосберегающих систем обработки почвы и средств интенсификации;

• особенности экологического состояния агрофитоценоза сортов ячменя.

Теоретическая и практическая значимость работы. Комплексные

исследования определили возможность рационального применения ресурсосберегающих почвозащитных технологий обработки почвы и средств интенсификации при выращивании сортов пивоваренного ячменя, способствующих воспроизводству элементов почвенного плодородия, улучшению агроэкологического и фитосанитарного состояний агрофитоценоза, урожайности качественного зерна. Установлено, что накопления экотоксикантов в почве и конечной продукции (зерно) не происходит.

Выполнение рекомендаций обеспечивает повышение урожайности до 2,5 - 3,0 т/га с оптимальным качеством зерна пивоваренного ячменя при воспроизводстве почвенного плодородия. Материалы работы могут быть использованы для преподавания экологии в ВУЗах.

Экологически безопасная технология выращивания ячменя прошла проверку и внедрение в 2010 - 2012 гг. в ГУ СП ОПХ «Омское» ГНУ СибНИИСХ и КФК «Люфт» Азовского района Омской области.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международных научно - практических конференциях: «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск, 2012); «Природные ресурсы, биоразнообразие и перспективы естественнонаучного образования», (Омск, 2012); «Проблемы современной биологии» (Москва, 2012); «Наука и современность - 2012» (Новосибирск, 2012); «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых» (Новосибирск, 2012).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 15 научных статей, общим объемом 3,2 п.л., 4 из них - в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад. Автором поставлены задачи, проведены полевые исследования, анализ почвы, сбор материала, аналитическая оценка и статистическая обработка данных, анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 188 страницах печатного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству, библиографического списка и приложений. Библиографический список включает 244 наименований, в том числе 14 зарубежных авторов. Работа иллюстрирована 24 рисунками и 44 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, теоретическая и практическая значимость, сформулированы цель и задачи, научная новизна, положения и апробация работы.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

В главе изучены данные отечественной и зарубежной литературы о влиянии обработки почвы на экологическое состояние. Проанализированы экологические последствия средств интенсификации и экотоксикантов на природную среду.

ГЛАВА 2. Условия, объекты и методы исследований

Изучение экологических особенностей состояния агрофитоценоза сортов пивоваренного ячменя проводилось в двухфакторных опытах, на опытном поле СибНИИСХ, в южной лесостепи Омской области в 2010 - 2012 гг.

Вегетационный период 2010 года был острозасушливым, что неблагоприятно повлияло на развитие зерновых культур. За вегетацию выпало 112 мм осадков (на 44% меньше нормы) при температуре 16,6 С. Условия вегетации растений 2011 года были благоприятные по увлажнению: 203 мм осадков при норме 197 мм. 2012 год был теплым с недобором осадков в 1,3 раза меньше нормы.

Почва опытного участка - чернозём, выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый с содержанием гумуса в пахотном слое до 7-8%

Объект исследований: агрофитоценоз посевов ячменя пивоваренных отечественных (Омский 90, Сигнал) и инорайонных сортов (Аннабель, Ксанаду, Беатрис).

Работа выполнялась в стационарном полевом и вегетационпо - полевом опытах. Изучение агрофизических свойств почвы, состояния агрофитоценоза, оценка технологий выращивания ячменя и содержания тяжелых металлов в почве проводилось в лабораториях СибНИИСХ.

Обработка данных осуществлялась по методикам в изложении Доспехова Б.А.; Томилова В.П. и др. с использованием программ ЭВМ, Statist для дисперсионного и корреляционного анализов.

Схема стационарного опыта №1. Исследования выполнялись в длительном стационарном опыте при выращивании пивоваренного ячменя сорта Аннабель. Опыт двухфакторный - закладывалось два блока: системы обработки почвы и применения средств интенсификации.

Применение удобрений в стационаре осуществлялось в течение 40, а интенсивных технологий - 26 лет.

Варианты опыта:

1. Фактор обработки почвы (Фактор А)

1. Отвальная (ежегодная вспашка на глубину 20-22 см) - наиболее энергоемкая и разрушающая гумус; 2. Плоскорезная (на глубину 10-14 см) - ресурсосберегающая, почвозащитная; 3. Минимально - нулевая (на глубину 6-8 см) - щадящая.

2. Фактор химизаиии (Фактор В):

1. Контроль (без химизации); 2. Система гербицидов группы 2,4-Д (Г); 3. Система удобрений N30P30 (У); 4- Система гербицидов и удобрений (ГУ); 5. Система гербицидов, удобрений и фунгицидов (комплексная химизация).

Опыт закладывался в 4-хкратной повторности, расположение вариантов последовательное. Удобрения вносились до посева локально сеялкой С3-3,6 (N30P30). Обработку гербицидами проводили в фазу кущения ячменя, фунгициды - в фазу выхода в трубку - колошение культуры. Из средств интенсификации применялись: баковая смесь гербицидов - «Диален Супер» (0,2 л/га) + «Магнум» (7 г/га); фунгицид «Тилт-250» (0,5 л/га) по признакам листостеблевых болезней. Обработка посевов проводилась опрыскивателем ОП-2000 в оптимальные сроки согласно рекомендациям и схеме

опыта. Ячмень сорта Аннабель высевался сеялкой С3-3,6 с нормой 4,5 млн. зёрен на 1га. Учет урожая производился однофазной уборкой с оставлением соломы на поле.

Схема полевого опыта № 2. В опыте изучались особенности экологического состояния агрофитоценоза сортов пивоваренного ячменя при применении средств интенсификации.

Опыт двухфакторный - закладывалось два блока: системы сортов пивоваренного ячменя и применения средств интенсификации. Технология обработки почвы -плоскорезная на глубину 10 - 14 см (почвозащитная).

Варианты опыта:

1. Сорта пивоваренного ячменя (Фактор А)

1. Омский 90; 2.Сигнал; 3. Аннабель; 4. Ксанаду; 5. Беатрис.

2. Средства интенсификаиии (Фактор В)

1. Контроль (К); 2. Гербициды (Г); 3. Гербициды + удобрения (Г+У); 4. Гербициды + удобрения + фунгициды (Г+У+Ф).

Размещение делянок систематическое, повторность 4-хкратная. Площадь делянок первого порядка (сорта ячменя) 88 м2 (44*2м), второго порядка (варианты химизации) -154 м2 (11*14м). Учётная площадь 22 м2 (2*11 м). Применение средств интенсификации, посев и уборка урожая осуществлялись по схеме опыта №1.

ГЛАВА 3. Влияние длительного применения почвоохранной обработки и средств интенсификации на экологические свойства черноземных почв

К агрофизическим параметрам плодородия почв относится структура и плотность, которые влияют на развитие растений через физические условия, водный и тепловой режимы, биологические процессы, что во многом определяет плодородие черноземов.

Исследования показали, что при минимальной почвоохранной обработке плотность составила 1,08 - 1,14 г/см3, что соответствует оптимальным параметрам для черноземных почв. При отвальной обработке почва в пахотном слое имела более рыхлое состояние (1,01 -1,08 г/см3).

Установлена положительная сопряженность между плотностью верхнего слоя почвы и урожайностью зерна ячменя за 2010 - 2012 гг. При отвальной и плоскорезной обработках почвы она составляет 0,65 - 0,70, при минимальной снижается до слабой сопряженности (г=0,43).

Наибольшее количество водопрочных агрегатов (50,7%) в слое (0-10 см) формировалось при минимальной, а наименьшее — при плоскорезной обработках почвы (43,3%). В целом почва имеет устойчивое сложение и благоприятную оструктуренность верхнего слоя для растений ячменя. Применение средств интенсификации повышает коэффициент структурности верхнего (0 - 10 см) слоя почвы (до 3,14) при содержании водопрочных агрегатов более 0,25 мм до 49,4%.

Увеличение растительных остатков на поверхности поля при применении средств интенсификации до 122,8 шт/м2 (в 1,4 раза) и комковатости (до 69,2%) способствовало снижению дефляции поверхности поля до 13,0 г или в 2,3 раза относительно отвальной обработки.

За вегетационный период наибольшее количество влаги в метровом слое наблюдалось на плоскорезной обработке почвы (146,6 - 158,2 мм). Наименьшие влагозапасы отмечались на минимальном варианте - 138,6 мм. В целом применение почвоохранной обработки на глубину 10 - 14 см под ячмень и средств интенсификации положительно влияет на водный режим почвы.

В среднем на плоскорезной обработке почвы отмечалось максимальное водопотребление зерном ячменя на варианте без применения средств интенсификации (292 мм/т), а минимальное и более экономное (73 мм/т) - с их применением (рис. 1).

контроль комплексная химизация

Рисунок -1. Коэффициент водопотребления ячменя сорта Аннабель, 2010-2012 гг. НСР05 (по системе обработки почвы) = 9,8 мм/т; НСР05 (по химизации) = 4,6 мм/т; НСР05 (для частных различий) = 13,8 мм/т.

Применение средств интенсификации способствует снижению водопотребления культуры с 231 до 82 мм/т или в 2,8 раза и увеличению урожая зерна ячменя с 0,87 до 2,78 т/га без ухудшения его пивоваренных свойств. Доля влияния фактора обработки почвы на водопотребление культуры составила 12,8%, а средств интенсификации -80,5%.

Изучение длительного воздействия обработки почвы и средств интенсификации на микробиологический компонент почвы является теоретическим . обоснованием изменения ее экологического состояния.

Почвозащитная обработка почвы при применении комплексной химизации способствовала увеличению численности микроорганизмов в верхнем слое на 16,519,5% (табл. 1).

Таблица 1 - Влияние обработки почвы и средств интенсификации на численность

микроорганизмов в слое (0 - 20 см) почвы при выращивании ячменя

Вариант обработки почвы Численность микроорганизмов, тыс. КОЕ/гр. абс. - сухой почвы

Бактерии наМПА Микроорганизмы наКАА Нитри-фикаторы Грибы Общее количество микроорганизмов

КОНТРОЛЬ

Отвальная 29,9 28,8 3,0 38,8 162

Плоскорезная 33,8 27,0 2,7 46,1 153

Минимальная 33,3 26,4 2,8 42,6 141

Среднее 32,3 27,4 2,8 42,5 152

КОМПЛЕКСНАЯ ХИМИЗАЦИЯ

Отвальная 35,8 35,4 4,4 40,0 171

Плоскорезная 38,9 36,2 4,4 66,2 205

Минимальная 36,5 33,4 4,0 61,4 165

Среднее 37,1 35,0 4,3 55,9 180

НСР05 (по химизации) 1,01 1,06 0,45 1,16 4,66

В варианте с эрозиониоопасной отвальной обработкой отмечена тенденция к снижению численности почвенной микрофлоры при применении гербицидов на 15,4%, в том числе грибов - на 18,5% по сравнению с контролем (без химизации). Длительное

применение умеренных доз азотно-фосфорных удобрений положительно повлияло на численность микроорганизмов, стимулируя рост нитрифицирующих бактерий в 1,5 раза.

В целом влияние факторов обработки и средств интенсификации на численность различных почвенных микроорганизмов в верхнем слое почвы составило от 63 до 89%.

Азотный режим почвы. Для формирования качественного урожая зерна ячменя растения должны быть обеспечены подвижным азотом, который является источником питания культуры. Длительное применение удобрений способствовало повышению содержания нитратного азота в слое 0-20 см с 5,4 до 8,6 мг/кг или в 1,6 раза, что свидетельствует о более сбалансированном питании зерна ячменя (табл. 2).

Таблица 2 - Содержание нитратного азота в почве в зависимости от обработки и [ средств интенсификации, мг/кг (2010-2012 гг.)

применения(

Система обработки почвы

Слой 0 -20 см

контроль

к/х

Слой О -40 см

контроль

к/х

ПОСЕВ

Отвальная 7,3 9,8 6,2 8,7

Плоскорезная 5Д 8,4 4.4 6,8

Минимальная 3,8 7,6 3,6 5,2

Среднее 5,4 8,6 4,7 6,9

Примечание: к/х - комплексная химизация

Установлено, что сокращение интенсивности обработки почвы приводит к снижению накопления нитратного азота на варианте применения средств интенсификации с 8,7 - 9,8 до 5,2 - 7,6 мг/кг или на 22 - 40%.

Доля влияния фактора обработки почвы на содержание N-N03 в слое 0-20 и 0-40см за годы исследований составила 51,0 - 56,1% соответственно, а средств интенсификации - 36,7 - 40,9%.

Фосфорный и калийный режимы почвы. Длительное применение фосфорных удобрений в сочетании с пестицидами способствует повышению содержания подвижного фосфора в слое 0-20 см до высокой обеспеченности (до 19,1 мг/100г почвы) с тенденцией его уменьшения на почвозащитных вариантах на 11 -17%.

Доля влияния фактора применения удобрений на фосфорный режим черноземных почв являлась доминирующей - до 97%.

Калий положительно влияет на интенсивность фотосинтеза, окислительных процессов и образование органических кислот в растении.

Обеспеченность растений подвижным калием в слое 0-20 см отмечена на высоком уровне - 25,0 - 40,6 мг/100г. Доля влияния фактора химизации на содержание К20 в почвенном слое 0-20 см составила 77,3%, обработки почвы -17,1%.

Главная задача экологической агрохимии - контроль над содержанием химических элементов в почве, растительной продукции, возможность их регулирования в многокомпонентной системе: «почва - растение - животное - человек».

Установлено, что валовое содержание меди в почвенных образцах было ниже ПДК в среднем в 6,9 раза на вариантах без применения химизации и в 7 - при длительном применении средств интенсификации; кадмия - в 4,5 и 4,3; никеля - в 2,6 и 2,7; цинка -в 4,8 и 4,6; свинца - 6,9 и 6,4 раза соответственно.

При изучении накопления тяжелых металлов в почве на фоне длительного (40 лет) применения минеральных и органических удобрений установлено, что содержание

8

подвижных форм тяжелых металлов в верхнем слое почвы было меньше ПДК: по содержанию меди - в 7,5 раз; кадмия - в 5,6; никеля - в 7,2; цинка - в 65,7 и свинца - в 4,7 раза. Отмечено незначительное увеличение концентрации таких металлов, как никель (на 0,03 мг/кг), цинк (на 0,06 мг/кг) в контрольном варианте по сравнению с комплексной химизацией, что связано более высоким выносом их продукцией (табл. 3).

Таблица 3 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в верхнем слое

(0-20 см) почвы в зависимости от технологии возделывания ячменя

Место отбора образца Вариант обработки почвы Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Си Cd Ni Zn Pb

Контроль Отвальная 0,41 0,19 0,61 0,39 1,44

Минимальная 0,30 0,16 0,57 0,41 1Д1

Комплексная химизация Отвальная 0,34 0,18 0,60 0,34 1,32

Минимальная 0,52 0,18 0,52 0,35 1,27

НСРо, 0,06 0,01 0,03 0,03 0,10

ПДК 3,0 1,0 4,0 23,0 6,0

Содержание ГХЦГ и его изомеров в образцах почвы было меньше 0,005 мг/кг, что в 14,8 раза ниже ПДК; ДЦТ и его метаболитов - в 20 раз ниже ПДК. Концентрация 2,4-Д кислоты, ее солей и эфиров составила меньше 0,01 мг/кг (ниже ПДК в 10 раз), а тилта - в 20 раз меньше ОДК.

Длительное применение средств интенсификации не оказывало влияние на содержание цезия Cs-137 в почве, оно было в 9,7 - 9,8 раза меньше ПДК (80 Бк/кг). Содержание Sr - 90 при применении комплексной химизации было ниже допустимого уровня (140 Бк/кг) в 53,8 раза, что свидетельствует об отсутствии загрязнения почв данными элементами.

ГЛАВА 4. Особенности агроэкологического и фитосанитарного состояпий агрофитоценоза посевов пивоваренного ячменя в зависимости от воздействия

антропогенных факторов

В почвозащитном земледелии изменяется экологическая направленность развития агрофитоценозов, взаимоотношения культурного и сорного компонентов.

Борьба с сорняками является одной из приоритетных задач современного земледелия, так как они вызывают снижение урожайности (потери до 20-25%) полевых культур.

За годы исследований отмечалось присутствие в агрофитоценозе посевов пивоваренного ячменя 10-15 видов сорных растений. Наименьший уровень засоренности посевов был при почвозащитной обработке почвы - 29,3% от массы агрофитоценоза, а наибольший (39,9%) - при минимальной, табл. 4.

Применение почвозащитных обработок почвы способствует нарастанию засоренности и повышению в видовом составе мятликовых сорняков. Внесение удобрений провоцирует нарастание засоренности пивоваренного ячменя (до 17,7%). Подавление (более чем в 2 раза) сорной растительности обеспечивает применение комплексной интенсификации.

Выявлено, что сопряженность между засоренностью и урожайностью зерна ячменя отрицательная и составляет -0,84±0,17, то есть уровень продуктивности культуры определяется степенью засоренности агрофитоценоза, согласно коэффициента детерминации, до 71%.

Таблица 4 - Засоренность посевов пивоваренного ячменя в зависимости от системы _обработки почвы и средств интенсификации, 2010-2012 гг. _

Обработка Вариант Масса Всего Видовой состав сорняков (в %)

почвы хими- куль- сорняков, мятли- Однолетние корне-

зации туры, % ковые двудольные отпрыс-

% устойчивые чувствительные ковые

К 69,3 30,7 11,4 2,1 1,1 16,1

Г 80,3 19,7 19,7 0,0 0,0 0,0

Отвальная У 78,3 21,7 4Д 2,0 ОД 15,4

К/Х 90,7 9,3 9,0 0,2 0,1 0,0

Среднее 79,6 20,4 11,1 1,1 0,3 7,9

к 70,7 29,3 6,9 2,2 0,1 20,1

Плоскорезная г 77,2 22,8 22,5 0,1 0,0 0,1

У 73,7 26,3 2,5 0,6 0,2 23,0

к/х 85,5 14,5 14,5 0,0 0,0 0,0

Среднее 76,8 23,2 11,6 0,7 0,1 10,8

к 60,1 39,9 8,5 3,5 0,5 27,4

Минимальная г 68,0 32,0 32,0 0,0 0,0 0,0

У 56,9 43,1 26,8 1,5 0,6 14,1

к/х 89,9 10,1 9,1 0,5 0.5 0,0

Среднее 68,7 31,3 19,1 1,4 0,4 10,4

Примечание: К - контроль (без химизации), Г - гербициды, У - удобрения, К/Х - комплексная химизация.

Ухудшение фитосанитарной ситуации в посевах зерновых культур приводит к недобору до 25% урожая, а при эпифитотиях болезней - до 50% от валового сбора зерна.

Установлено, что применение средств интенсификации способствовшто снижению инфицированное™ корневой системы ячменя. Относительно контроля распространение корневой гнили снижалось с 51,1 до 38,2% (на 25,2 %), а ее развитие -на 9,3 балла (36,8%).

Наибольшее развитие сетчатой пятнистости на листьях ячменя отмечалось на минимальном варианте - в среднем 45,6%. Поражение ячменя септориозом было ниже порога вредоносности (5%) при усилении инфекции на отвальном варианте (табл. 5).

Таблица 5 - Влияние систем обработки почвы и средств интенсификации на развитие

Система обработки почвы Вариант химизации Сетчатая пятнистость Септо риоз

Г 2* 1' 2'

Отвальная контроль 25,5 45,8 1Д ■ 1,5

к/х 7,0 24,4 0,4 0,5

Плоскорезная контроль 24,4 48,3 0,7 1,0

к/х 10,2 30,5 0,6 0,7

Минимальная контроль 18,0 52,4 0,4 1,4

к/х 9,4 38,7 0,4 0,7

Среднее по химизации контроль 21,0 48,8 0,7 1,3

к/х 8,9 31,2 0,5 0,6

НСР05 (по обработке почвы) 1,43 0,32 0,19 0,13

НСР05 (по химизации) 1,17 0,26 0,15 0,10

НСР05 (для частных различий) 2,03 0,45 0,27 0,18

Примечание: 1* - развитие болезни; 2 - распространение болезни; к/х - комплексная химизация.

10

Применение комплексной химизации с фунгицидной обработкой посевов снижало развитие сетчатой пятнистости листьев ячменя в 2,4 раза (в среднем с 21,0 до 8,9%), а распространение инфекции - в 1,6 раза (с 48,8 до 31,2%), септориоза - в 1,4 раза.

Корреляционная зависимость между продуктивностью ячменя и распространением сетчатой пятнистости, септориоза имеет высокую отрицательную сопряженность (Я =-0,97±0,11; -0,92±0,16).

На формирование структуры урожая культуры оказывали влияние гидротермические условия, засоренность посевов, болезни культуры и антропогенные факторы. Потенциал урожайности зерна ячменя определяется кустистостью, продуктивным стеблестоем, количеством зерен в колосе и массой 1000 зерен. Масса снопа ячменя при комплексной химизации возросла до 775 г/м2 (на 87,6%) по сравнению с контролем (413 г/м2). Продуктивный стеблестой при комплексной химизации составил 518 шт/м2, что было в 2,1 раза больше, чем на контроле (без химизации) - 252 шт/м2. Коэффициент продуктивной кустистости при интенсификации повысился с 1,53 до 2,35 (на 53,6%). Количество зерен в колосе практически не изменялось (17,5-18,1 шт), а масса 1000 зерен увеличилась с 47,2 до 51,6 г.

Корреляционный анализ между элементами структуры урожая зерна ячменя, как продуктивным стеблестоем (г=0,98±0,08), кустистостью (г=0,96±0,12), массой 1000 зерен (г=0,89±0,19) и урожайностью культуры показал высокую положительную сопряженность между составляющими продуктивности культуры. Сопряженность между количеством зерен в колосе и урожайностью ячменя имела среднюю связь (г=0,52).

При отсутствии или ограниченном применении средств интенсификации отмечается закономерность снижения урожайности зерна при сокращении интенсивности обработки почвы. При комплексном применении средств интенсификации различие между полярными вариантами по интенсивности обработками почвы сглаживалось при равной продуктивности на плоскорезной обработке с энергоемкой вспашкой - 2,96 - 3,05 т/га. Минимальный вариант снижал продуктивность ячменя относительно плоскорезной обработки на 0,26 т/га (13,4%), табл. 6.

Таблица 6 - Урожайность зерна пивоваренного ячменя, т/га (2010-2012 гг.)

Обработка почвы (фактор А) Вариант химизации (фактор В) Среднее по А, НСР05 0,08 т/га

К Г У ГУ К/Х

Отвальная 0,94 2,03 1,89 2,79 3,05 2,14

Плоскорезная 0,84 1,91 1,54 2,47 2,96 1,94

Минимальная 0,83 1,89 1,18 2,16 2,34 1,68

Среднее по фактору В, НСР05 0,12 т/га 0,87 1,95 1,53 2,47 2,78

НСР05 (для частных различий) = 0,22 т/га.

Примечание: К - контроль (без химизации), Г - гербициды, У - удобрения, ГУ - гербициды + удобрения, К/Х - комплексная химизация (гербициды + удобрения + фунгициды).

Содержание белка в зерне ячменя определяет его биологическую полноценность и пищевое достоинство. В пивоваренной промышленности высокобелковость зерна является нежелательным качеством, оптимальное содержание белка в зерне при производстве пива составляет до 12% (ГОСТ 5060-86).

Содержание белка определялось увлажнением в годы исследований и составляло от 8,0 до 11,2%. Экологические факторы оказывали влияние на содержание белка в зерне. При внесении минеральных удобрений содержание белка повышалось в среднем

на 3,9%. В целом экстрактивность (76,5%), содержание крахмала (61,0 - 62,7%), жира (2,0-2,1%) и пленчатость (7,5-11,1%) соответствовали требованиям ГОСТ.

Почвоохранная плоскорезная обработка почвы при комплексной интенсификации обеспечивает урожайность зерна до 2,96 т/га и оптимальное содержание белка в зерне -до 10,5%.

Выявлено, что содержание подвижных форм тяжелых металлов в продукции (зерно) в южной лесостепи было значительно ниже норм ПДК, что не представляет опасности для человека. Так, концентрация свинца была ниже ПДК (0,5 мг/кг) в 2,3-2,5 раза; никеля (ПДК 0,5 мг/кг) - в 4,5 - 10; кадмия (ПДК 0,1 мг/кг)- в 1,2 - 1,3; цинка (ПДК 50 мг/кг) - в 2,3 - 2,6 и меди (ПДК 50 мг/кг) - в 4,0 - 4,9 раза.

Содержание экотоксикантов в зерне при применении средств интенсификации было значительно ниже ПДК. Содержание ГХЦГ и его изомеров в зерне ячменя было меньше ПДК (0,5 мг/кг) более чем в 500 раз, ДДТ и его метаболитов в 3 раза. Содержание тилта, 2,4-Д кислоты, её солей и эфиров в зерне ячменя не обнаружено.

Глава 5. Экологическое состояние агрофитоценоза сортов пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири в зависимости от применения средств

интенсификации

Сорт культуры - один из основных факторов устойчивого производства зерна в конкретных почвенно-климатических условиях. Несмотря на различную реакцию выращиваемых сортов культуры на влагообеспеченность, они обеспечивают наибольшую урожайность зерна высокого качества только при оптимальном увлажнении почвы в течение вегетации культуры.

Установлено, что коэффициент водопотребления на контроле составил 109 - 128 мм/т при минимальном значении (109 мм/т) у местного сорта ячменя Омский 90, а максимальный - у инорайонного сорта Аннабель - 128 мм/т зерна. На варианте с комплексной химизацией коэффициент водопотребления снижался с 118 до 93 мм/т зерна или на 21,2% относительно контроля при наименьшем его значении у сортов Омский 90 и Сигнал - 89 мм/т зерна

Исследования показали, что биомасса культуры изменялась от 901 г/м2 на контроле (без химизации) при выращивании сорта ячменя Ксанаду до 2218 г/м' у сорта Омский 90 при применении средств интенсификации (табл. 7).

Таблица 7 - Засоренность посевов сортов пивоваренного ячменя, 2010-2012 гг.

Составляющие агрофитоценоза Вариант химизации Сорта пивоваренного ячменя Среднее

Омский 90 Сигнал Аннабель Ксанаду Беатрис

Биомасса культуры, г/м2 К 1255 1293 950 901 1125 1105

Г 1488 1576 1320 1458 1380 1444

ГУ 1823 2100 1317 1566 2002 1762

К/Х 2218 2205 1705 1918 2115 2032

Среднее 1696 1794 1323 1461 1656 -

Биомасса сорняков, г/м2 К 508 259 299 362 399 366

Г 113 48 121 70 89 88

ГУ 177 65 64 146 100 110

К/Х 147 75 105 102 95 105

Среднее 236 112 147 170 171 -

Доля сорняков, % к 28,8 16,7 23,9 28,6 26,2 24,8

Г 7,1 3,0 8,4 4,6 6,1 5,8

ГУ 8,9 3,0 4,6 8,5 4,8 6,0

К/Х 6,2 3,3 5.8 5,0 4,3 4,3

Среднее 12,8 6,5 10,7 11,7 10,4 -

Наибольшая степень засоренности посевов отмечалась на контроле у сорта ячменя Омский 90 - 28,8%, а наименьшая - на гербицидном варианте у сорта Аннабель (8,4%). Под влиянием гербицидной обработки посевов засоренность снижалась на всех изучаемых сортах ячменя, но степень их влияния была неоднозначной. У отечественных сортов (Омский 90, Сигнал) засоренность агрофитоценоза снижалась в 4,1 - 5,6, а на вариантах с инорайонными сортами (Аннабель, Ксанаду, Беатрис) - в 2,86,2 раза.

Корреляционная связь биомассы сорняков с урожайностью зерна сортов ячменя имела обратную высокую отрицательную сопряженность г= -0,83±0,14.

Исследования показали, что у сортов ячменя распространение сетчатой пятнистости на верхнем ярусе листьев изменяется в контрольном варианте от 13,7% у сорта Ксанаду до 24,1% у сорта Омский 90 (табл. 8).

Таблица 8 - Развитие листостеблевых болезней на посевах сортов ячменя, %

(2010-2012 гг).

Сорт пивоваренного ячменя (фактор А) Вариант химизации (фактор В) Сетчатая пятнистость Септо риоз

Р* 11** Р* Я**

Омский 90 контроль 11,7 24,1 0,8 1,2

К/Х 8,6 15,1 0,7 0,8

Сигнал контроль 11,2 18,8 0,4 0,5

К/Х 9,3 14,5 0,2 0,5

Аннабель контроль 13,6 19,9 0,4 0,8

К/Х 8,3 14,6 0,1 0,7

Ксанаду контроль 8,9 13,7 0,1 0,4

К/Х 5,7 9,0 0,2 0,3

Беатрис контроль 10,5 15,0 0,3 0,4

К/Х 6,2 8,1 0,2 0,8

Среднее по химизации контроль 11,2 18,3 0,4 0,7

К/Х 7,6 12,3 0,3 0,6

НСР„5 (по фактору В) 2,71 4,19 0,36 0,35

Примечание: Р* - развитие болезни, Я** - распространение болезни, к/х - комплексная химизация.

При обработке посевов ячменя фунгицидами развитие сетчатой пятнистости снижалось с 11,2 до 7,6% (в 1,47 раза), а ее распространение - на 32,8%. Степень поражения листового аппарата септориозом уменьшилась в среднем до 0,6% при минимальном распространении у сорта Ксанаду (0,3%).

Установлено, что в южной лесостепи Западной Сибири наибольшая распространённость корневых гнилей на контрольном варианте наблюдалась у сортов Ксанаду (67%), Омский 90 (64%), а наименьшая - у сорта Беатрис (45%). Применение средств интенсификации снижало распространённость болезни у сортов ячменя на 18,6%>, а индекс развития в 1,5 раза.

Выявлено, что долевое влияние фактора сорта ячменя на развитие инфекции составило 34%, а химизации - 63%.

Наибольшее количество корешков у вторичной корневой системы ячменя формировалось у сорта Омский 90 (4,40 - 4,72 шт), а при комплексной интенсификации - у сортов Сигнал и Ксанаду (5,00 - 5,05 шт). Наименьшее количество корешков на контрольном варианте отмечалось у сорта Сигнал (3,98 шт). Выявлено, что глубина залегания вторичной корневой системы у ячменя изменялась на контрольном варианте от 2,42 см у сорта Сигнал до 3,25 см - у сорта Омский 90 (табл. 9).

Удобрения и средства защиты растений ячменя способствуют увеличению длины корней и количества вторичных корешков на 9,0 - 13,6%, а глубины залегания вторичной корневой системы - на 18,2%.

Развитие вторичной корневой системы растений с урожайностью зерна сортов ячменя пивоваренного направления имело более тесную сопряженность, которая с количеством корешков имеет среднюю связь (г=0,35 - 0,47).

Таблица 9 - Формирование вторичной корневой системы у сортов пивоваренного

ячменя в зависимости от применения средств интенсификации, 2010-2012 гг.

Глубина Количество Длина корней,

Сорт ячменя залегания, см. корешков, шт. см.

К К/Х К К/Х К К/Х

Омский 90 3,25 3,69 4,40 А,12 3,32 3,47

Сигнал 2,42 3,13 3,98 5,00 3,23 3,82

Аннабель 2,74 2,92 4,05 4,51 3,34 3,81

Ксанаду 2,95 3,14 4,41 5,05 3,81 4,00

Беатрис 2,44 2,98 4,06 4,45 3,52 3,65

Среднее 2,68 3,17 4,18 4,75 3,44 3,75

НСР05 (по системе сортов) 0,14 0,32 0,21

НСР05 (по химизации) 0,09 0,20 0,13

НСР05 (для частных различий) 0,20 0,45 0,30

К- контроль; К/Х - комплехссная химизация

Продуктивность растений во многом определяется эффективной деятельностью фотосинтетического аппарата, которая зависит от площади листовой поверхности. Установлено, что площадь флагового и подфлагового листьев у сортов пивоваренного ячменя изменялась в широких пределах: от 2,56 - 7,89 см2 у сорта Ксанаду на контрольном варианте до 5,57 - 15,79 см2 у сорта Омский 90 на варианте комплексной интенсификации. Средства интенсификации повышали площадь флагового листа растений в среднем на 43,1%, а подфлагового - на 35,2%.

Выявлено, что суммарная площадь фотосинтезирующей листовой поверхности у сортов ячменя имела среднюю сопряженность с урожайностью зерна (г=0,68) при наибольшей площади листьев у сорта местной селекции Омский 90 (10,12 см2).

Применение средств интенсификации повышало фотосинтезирующую площадь листьев у растений в среднем с 25,19 до 32,96 см2 (30,9%). причем сорта ячменя местной селекции превосходили инорайонные по площади листовой поверхности на 20,3 - 25,7%. (рис. 2). Доля влияния фактора сорта на суммарную площадь листовой поверхности у растений ячменя составила 22,5%, а фактора химизации - 75,9%.

Омский 90 Сигнал Аннабеяь Ксанаду Беатрис Среднее Сорта ячменя (фактор А)

0 контроль □ комплексная химизация (фактор В)

Рисунок - 2. Суммарная площадь листьев у сортов ячменя в зависимости от применения средств интенсификации (на одном растении), 2010-2012 гг.

НСР05 (по системе сортов) = 0,66 см2; НСР05 (по химизации) = 0,42 см2; НСР05 (для частных различий) = 0,93 см2.

Наибольшее количество сохранившихся растений к уборке отмечено у сорта ячменя отечественной селекции Сигнал - 253 шт/м2 на контроле и 291 шт/м у инорайонного сорта Ксанаду на варианте применения комплексной химизации.

Количество продуктивных стеблей у отечественных сортов ячменя Омский 90 и Сигнал на контрольном варианте составило соответственно 383 и 471 шт/м2, у сортов (Аннабель, Ксанаду и Беатрис) - 297, 428 и 487 шт/м2, а на интенсивном фоне этот показатель увеличивался до 511 шт/м2 у сорта Сигнал и до 556 шт/м2 у сорта Беатрис (на 11,1%). Коэффициент корреляции урожайности зерна с продуктивным стеблестоем у сортов ячменя имел среднюю сопряженность (г=0,50). Между продуктивной кустистостью у сортов пивоваренного ячменя и применением средств интенсификации выявлена положительная корреляция (г=0,56).

С применением средств интенсификации продуктивная кустистость ячменя увеличивалась в среднем на 0,28 (13,1%), что связано в основном с улучшением питания растений, снижением засоренности и инфицированности агрофитоценоза. Масса зерна в колосе и 1000 зерен определились уровнем интенсификации (г = 0,490,72) и погодными условиями (г = 0,41-0,49). Более высокие показатели были получены на интенсивном варианте и составили по массе зерна колоса у сортов Беатрис - 0,99 г; Омский 90 - 0,96 г; массе 1000 зерен - у сорта Беатрис (53,0 г).

На развитие составляющих элементов продуктивности ячменя большое влияние оказывали средства интенсификации (до 66,1%), а также сорта (до 56,3%) (табл. 10).

Таблица 10 - Доля влияния факторов сорта и средств интенсификации на развитие

элементов продуктивности ячменя, % (2010-2012 гг.)

Кол-во Масса Масса

Фактор Продуктивная зерен в зерна с 1000

кустистость колосе, ' одного зерен, г.

шт. колоса, г.

Сорт (А) 25,7 26,0 30,7 56,3

Средства интенсификации (В) 66,1 42,6 59,9 40,7

Взаимодействие АхВ 8,2 26,4 9,4 3,0

Продуктивность зерна у сортов ячменя в вариантах опыта изменялась от 1,73 т/га (сорт Аннабель на контроле) до 2,98 т/га (сорт Сигнал при комплексном применении средств интенсификации), или выше на 42,0%, что связано в основном с генетическими свойствами сорта, его реакцией на почвенно - климатические условия и средства интенсификации (табл. 11).

Таблица 11 -Урожайность зерна сортов ячменя, т/га (2010-2012 гг.)

Средства интенсификации (фактор В) Сорта пив< (с сваренного ячменя >актор А) Среднее по химизации (фактор В), НСР05 0,09 т/га

Омский 90 Сигнал Аннабель Ксанаду Беатрис

Контроль 2,07 2,15 1,84 2,09 2,13 2,06

Гербициды 2,42 2,34 2,07 2,40 2,43 2,33

Гербициды н-удобрения 2,64 2,60 2,28 2,59 2,65 2,55

Гербициды +удобрения + фунгициды 2,71 2,84 2,48 2,78 2,74 2,71

Среднее по системе сортов (фактор А), НСР05 0,11 т/га 2,46 2,48 2,17 2,46 2,49 -

НСР05 (для частных различий) 0,21 т/га

Прибавка зерна от совместного применения гербицидов и удобрений у изучаемых сортов ячменя составила: Омский 90 - 0,57 т/га (27,5%), Сигнал и Аннабель - 0,45 т/га (в 1,21 - 1,24 раза), Ксанаду - 0,50 т/га (23,9%) и Беатрис - 0,52 т/га (24,4%). Наибольшая прибавка зерна от применения комплексной химизации получена у сортов Сигнал и Беатрис - 0,69 т/га (до 33,0%).

Качество зерна пивоваренного ячменя во многом определялось сортовыми особенностями и применением средств интенсификации. Содержание крахмала у сортов пивоваренного ячменя за годы исследований составляло до 63%, что соответствует хорошей экстрактивности (82 - 83%). Содержание жира изменялось в пределах 1,8 - 2,1%. Пленчатость зерна у всех сортов отвечала требованиям к пивоваренному ячменю (7,4 - 8,9%). Инорайонные сорта обеспечивали содержание крахмала до 58,2 - 60,0%, жира - 1,8 - 2,0% и пленчатость 8,2 - 8,9%. Возделывание сортов пивоваренного ячменя обеспечивает качественное экологически чистое зерно с пониженным содержанием белка (11,1 - 11,3%) у сортов Беатрис и Аннабель с урожайностью до 2,17 - 2,49 т/га. По качественным параметрам зерно изучаемых сортов ячменя соответствует требованиям пивоваренной промышленности.

Общие выводы

1. Почвенно-климатические ресурсы юга Западной Сибири позволяют расширить площадь выращивания адаптивных сортов ячменя и повысить его продуктивность до 2,5 - 3,0 т/га. В Омской области ячмень должен занимать более-360 тыс. га (до 15% от площади зерновых культур), в том числе в южно - лесостепных агроландшафтах до 120 тыс. га (18%) с увеличением объемов заготовки местных и инорайонных сортов пивоваренного направления.

2. Установлено, что при Длительном (40 лет) антропогенном воздействии на верхний слой черноземных почв (ресурсосберегающие почвозащитные приемы обработки почвы и рациональное применение средств интенсификации) в многокомпонентной биоэкосистеме «почва - приемы обработки - средства интенсификации - агрофитоценоз - конечная продукция» протекают закономерные направленные изменения: оптимизируется плотность верхнего слоя почвы - 1,08 - 1,14 г/см3; повышается содержание водопрочных агрегатов (51 - 58%), растительных остатков (189 шт/м2) и уменьшается (в 2,3 раза) податливость почвы к дефляции; коэффициент водопотребления на формирование 1т зерна снижается до 82 мм; уменьшается накопление к посеву нитратного азота относительно вспашки до 48%; повышается содержание подвижного фосфора до высокой обеспеченности (17 - 19 мг/100г) и обменного калия на почвозащитных вариантах на 27 - 36%; возрастает активность и численность микроорганизмов (на 18,4%), стимулируется рост нитрифицирующих бактерий (в 1,5 раза), грибов (на 31,5%); при комплексном применении средств интенсификации снижается засоренность агрофитоценоза в 2,0 -3,9 раза, поражение листового аппарата сетчатой пятнистостью - в 1,6-2,4 раза, септориозом - до 0,5%; возрастает биомасса снопа культуры в 1,9 раза, количество продуктивных стеблей - в 2,1 раза, кустистость - в 1,5 раза и озерненность колоса с получением экологически качественного чистого зерна ячменя, отвечающего требованиям ГОСТ для пивоваренной промышленности.

3. При рациональном применении средств интенсификации и оптимизации факторов повышения продуктивности культуры (агрофизические параметры верхнего слоя черноземных почв, водный и питательный режим, фитосанитарное состояние агрофитоценоза) преимущество имеет почвоохранная плоскорезная система обработки

почвы под ячмень с продуктивностью зерна - 2,96 т/га и превышением над контролем в 3,2 раза при защите почвы от дефляции и воспроизводстве почвенного плодородия.

Изучение сортов пивоваренного ячменя в южно - лесостепных агроландшафтах Западной Сибири позволило выявить, при оптимизации условий выращивания, высокопродуктивные сорта (Беатрис, Ксанаду), обеспечивающие получение качественного экологически чистого зерна с пониженным содержанием белка (до 11,1 -11,7%), экстрактивностыо (76,5%), содержанием крахмала (61,0 - 62,7%), жира (2,02,1%), пленчатости (7,5 - 11,1%) и продуктивностью до 2,78 т/га, отвечающего требованиям пивоваренной промышленности.

4. При выращивании пивоваренного ячменя применяемые средства интенсификации не ухудшали экологическое состояние почвы. Содержание подвижных форм тяжелых металлов, пестицидов и радионуклидов в почвенных образцах было значительно ниже ПДК (до 65,7 раз); ГХЦГ и его изомеров - в 14,8 раза; ДДТ и его метаболитов - в 20 раз; остатков 2,4-Д кислоты, ее солей и эфиров - в 10 раз (< 0,01 мг/кг), тилта — в 20 раз (< 0,01 мг/кг), а содержание радионуклидов Сз-137 - в 9,7 - 9,8 раза; Бг - 90 - в 53,8 раза, что не представляет экологической опасности для человека.

5. Рациональное научно - обоснованное применение минеральных удобрений и пестицидов не являлось источником загрязнения окружающей среды и, в частности, таких компонентов, как почва, растения, продукция. Уровень накопления экотоксикантов в конечной продукции (зерно) был значительно ниже норм ПДК. Содержание тяжелых металлов было меньше в 2,3 - 2,6 раза (гп); в 1,2 - 1,3 (С<1); в 2,2 -2,5 (РЬ); в 4,0 - 4,9 (Си) и в 4,5 - 10 раза (№). Содержание ГХЦГ и его изомеров в зерне пивоваренного ячменя было меньше ПДК (0,5 мг/кг) более чем в 500 раз, ДДТ и его метаболитов более чем в 3 раза. Содержание тилта, 2,4 - Д кислоты, её солей и эфиров в образцах зерна ячменя не обнаружено.

Предложения производству

1. При выращивании ячменя пивоваренного направления в лесостепных агроландшафтах Западной Сибири для повышения почвенного плодородия, продуктивности зерна (до 2,5 - 3,0 т/га) и оптимизации технологических свойств конечной продукции применять почвоохранные ресурсосберегающие приемы обработки почвы и рекомендуемые средства интенсификации в севооборотах зерновой специализации с расширением площади возделывания и увеличением объемов заготовки, в том числе и инорайонных сортов.

2. В агрофитоценозах посевов пивоваренного ячменя, при освоении рекомендуемых технологий, проводить экологический мониторинг за состоянием почв, конечной сельскохозяйственной продукции (зерно) и принимать меры по охране окружающей среды.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

I. Егорова Н.И. Влияние средств интенсификации на агроэкологическое состояние агрофитоценоза посевов пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, А.С. Афанасьев, Л.В. Юшкевич, Е.В. Штро // Труды Кубанского ГАУ. -2012. - №2. - С. 201- 204.

2. Егорова Н.И. Содержание тяжелых металлов в почве при выращивании пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова // Труды Кубанского ГАУ. -2012. - №4. - С. 150-151.

3. Юшкевич JI.B. Резервы повышения урожайности ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / JI.B. Юшкевич, А.Г. Щитов, Н.И Егорова, Е.В. Штро // Вестник Алтайского ГАУ. -2012. - №9. - С. 15 - 19.

4. Юшкевич JI.B. Совершенствование технологии возделывшгия ячменя в лесостепи Западной Сибири / Л.В. Юшкевич, А.Г. Щитов, Н.И. Егорова, Е.В. Штро // Земледелие. -2013. - №2. - С. 26 - 28.

Другие публикации:

5. Егорова Н.И. Развитие корневой системы сортов ячменя в агрофитоценозах южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова // Наука и современность - 2012: сб. материалов XVII Междунар. науч. - практ. конф. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. -С. 15-19.

6. Егорова Н.И. Влияние вторичной корневой системы сортов ячменя на урожайность зерна в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, А.И. Григорьев, Е.В. Штро, Л.В. Юшкевич // Проблемы современной биологии: Материалы V Междунар. науч. - практ. конф. - Москва: Спутник, 2012. - С. 34- 36.

7. Егорова Н.И. Экологическая оценка почвы и посевов пивоваренного ячменя при длительном применении средств интенсификации в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, Л.В. Юшкевич, Е.С. Шевцова, Е.В. Штро // Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития ЗападноСибирского региона: Материалы IV Междунар. науч. - практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2012. - С. 114-117.

8. Егорова Н.И. Влияние средств интенсификации и ресурсосберегающей обработки почвы на ее биологическую активность при возделывании пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, О.Ф. Хамова, Л.В. Юшкевич, Е.В. Штро // Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона: Материалы IV Междунар. науч. - практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2012. - С. 211 - 214.

9. Егорова Н.И. Экологическое состояние агрофитоценоза пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, Л.В. Юшкевич, Е.В. Штро // Естественные науки и экология: Ежегодник. Межвуз. сб. науч. ст. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2012. - Вып. 16. - С. 214- 223.

10. Егорова Н.И. Эколого-биологические особенности состояния посевов пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, Л.В. Юшкевич, А.И. Григорьев, Е.В. Штро, Е.С. Шевцова // Природные ресурсы, биоразнообразие и перспективы естественнонаучного образования: Материалы Междунар. науч. - практ. конф., посвященной памяти И.В. Бекишевой. - Омск, 2012. -С. 125-127.

И. Штро Е.В. Влияние обработки почвы и средств интенсификации на водный режим почвы в посевах пивоваренного ячменя / Е.В. Штро, Л.В. Юшкевич, Н.И. Егорова II Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых: труды V Междунар. науч. - практ. конф. молодых ученых, посвященной 10-летию ее проведения / СО Россельхозакадемии. - Новосибирск, 2012. - С. 223 - 226.

12. Шевцова Е.С. Влияние длительного применения удобрений на накопление тяжелых металлов в черноземной почве / Е.С. Шевцова, Н.И. Егорова II Природные ресурсы, биоразнообразие и перспективы естественнонаучного образования:

Материалы Междунар. науч. - практ. конф., посвященной памяти И.В. Бекишевой. -Омск, 2012. - С. 143-146.

13. Штро Е.В. Влияние средств интенсификации на фитосанитарное состояние посевов пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Е.В. Штро, Л.В. Юшкевич, Н.И. Егорова, А.И. Григорьев /У Естественные науки и экология: Ежегодник. Межвуз. сб. науч. ст. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2013. - Вып. 17. - С. 114 - 120.

14. Егорова Н.И. Экологические показатели состояния пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири / Н.И. Егорова, А.И. Григорьев, Л.В. Юшкевич, Е.В. Штро, Е.С. Шевцова // Естественные науки и экология: Ежегодник. Межвуз. сб. науч. ст. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2013. - Вып. 17. - С. 120 - 123.

15. Шевцова Е.С. Экологическая оценка содержания тяжелых металлов в черноземной почве при длительном применении удобрений / Е.С. Шевцова, Н.И. Егорова // Естественные науки и экология: Ежегодник. Межвуз. сб. научн. ст. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2013. - Вып. 17. - С. 129 - 132.

Подписано в печать 12.03.14. Формат 60x84 \16 Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 1,00. Бумага офсетная. Печать оперативная. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ИП Макшеевой Е.А. тел. (3812) 351-445

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Егорова, Наталья Ивановна, Омск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный педагогический университет»

На правах рукописи

04201455852

Егорова Наталья Ивановна

Экологические особенности состояния агрофитоценоза пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири

Специальность 03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Юшкевич Леонид Витальевич

доктор сельскохозяйственных наук

Омск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы......................................................................................12

1.1. Влияние приемов обработки почвы на ее экологическое состояние............12

1.2. Экологические последствия интенсификации

сельскохозяйственного производства и влияние на природную среду...............15

1.2.1. Пестициды........................................................................................................16

1.2.2. Минеральные и органические удобрения.....................................................18

1.2.3. Тяжелые металлы.............................................................................................20

1.2.4. Радиоактивные элементы................................................................................21

Глава 2. Объекты, методы исследований. Почвенно-климатические условия .23

2.1. Климат..................................................................................................................24

2.1.1. Погодные условия за годы исследований (2010-2012 гг.)..........................26

2.2. Почвенный покров..............................................................................................27

2.2.1. Характеристика почвенного покрова............................................................28

2.3. Схема полевых опытов и их экологические особенности..............................31

2.4. Основные требования к качеству зерна пивоваренного ячменя...................38

2.5. Ботаническая характеристика ячменя..............................................................39

2.6. Биологические особенности .............................................................................40

2.6.1. Влияние абиотических факторов на продуктивность культуры................43

2.7. Характеристика сортов пивоваренного ячменя...............................................45

Глава 3. Влияние длительного применения почвоохранной обработки и средств интенсификации на экологические свойства черноземных почв...........50

3.1. Агроэкологическая оценка агрофизических свойств почвы..........................50

3.2. Обеспеченность почвы влагой. Водопотребление посевов ячменя..............55

3.3. Влияние средств интенсификации и приемов обработки почвы

на биологическую активность..................................................................................60

3.4. Влияние приемов обработки почвы и средств интенсификации

на питательный режим..............................................................................................65

3.4.1. Азотный режим почвы ...................................................................................67

3.4.2. Фосфорный режим почвы...............................................................................70

3.4.3. Калийный режим почвы.................................................................................72

3.5. Агроэкотоксикологическая оценка черноземов при

выращивании пивоваренного ячменя.....................................................................73

Выводы по главе 3.....................................................................................................81

Глава 4. Особенности агроэкологического и фитосанитарного

состояния агрофитоценоза посевов пивоваренного ячменя в зависимости

от воздействия антропогенных факторов...............................................................84

4.1. Количественно - видовой состав сорного компонента

агрофитоценоза пивоваренного ячменя.................................................................84

4.2. Фитопатологическое состояние агрофитоценоза посевов ячменя................88

4.3. Влияние экологических условий на продуктивность и основные элементы структуры урожая пивоваренного ячменя............................................95

4.4. Влияние экологических факторов на качественные параметры зерна.......100

4.5. Оценка накопления токсикантов в зерне пивоваренного ячменя..............104

Выводы по главе 4..................................................................................................108

Глава 5. Экологическое состояние агрофитоценоза сортов пивоваренного ячменя в южной лесостепи Западной Сибири в зависимости от применения средств интенсификации........................................................................................111

5.1. Влажность почвы и водопотребление посевов сортов ячменя....................112

5.2. Влияние средств интенсификации на засоренность посевов......................114

5.3. Экологическая оценка инфицированности посевов ....................................116

5.4. Развитие корневой системы.............................................................................119

5.5. Фотосинтетическая деятельность посевов....................................................124

5.6. Элементы структуры урожая, урожайность и качество зерна ячменя........126

Выводы по главе 5 ..................................................................................................134

Заключение...............................................................................................................137

Предложения производству....................................................................................139

Библиографический список....................................................................................140

Приложения.............................................................................................................161

Введение

Повышение продуктивиости и качества зерновых культур, в том числе и ячменя — основа экономической стабильности сельскохозяйственных предприятий. Устойчивый рост производства зерна в настоящее время связан с интенсификацией технологического процесса выращивания, направленного на создание высокопроизводительных агрофитоценозов, улучшение качества зерна и сокращение его потерь от сорняков, болезней, вредителей и стрессовых погодных явлений при сохранении экологической безопасности окружающей среды, снижения ресурсных и энергетических затрат.

Агрофитоценоз - это растительное сообщество, создаваемое человеком путем посева возделываемых растений. В состав агрофитоценоза входят культурные и сорные растения. Основу агрофитоценоза составляет фитоценоз, растительное сообщество, существующее в пределах одного биотопа и характеризуется относительной однородностью видового состава, определённой структурой и системой взаимоотношений растений друг с другом и с внешней средой. Впервые термин «фитоценоз» был применён в 1915 году польским исследователем И.К. Пачоским.

Ячмень - одна из самых важных (после пшеницы), широко распространенных и высокоурожайных колосовых культур (Бахтеев Ф.Х, 1955; Коданев И.М., 1964; Анисков Н.И., 2007). Зерно ячменя - ценный концентрированный корм для животных, сырье для пивоварения и производства перловой и ячневой круп. Ячмень используют также для изготовления муки, суррогата кофе, солодового экстракта, который широко применяют в спиртовой, кондитерской и других отраслях легкой промышленности.

В России пивоваренным ячменем засевается около 3 млн. га или 44% от всей площади, их них в Центральном Черноземной регионе - 2,8 млн. га или более 90%, что свидетельствует о важности его в зерновом балансе страны (Аниськов Н.И., 2007, 2010; Шмаль В.В., 2011).

В сложных почвенно-климатических условиях региона Западная Сибирь вносит существенный вклад в зерновой баланс страны, производя ежегодно до 10-

12 млн. тонн зерна, или около 12-15% от общероссийского. На душу населения зерна производится в год около 700-800 кг или на 15-20% больше, чем в среднем по стране, в том числе в Омской области более 1,5 тонн, или в 2 раза выше, чем по России (Юшкевич Л.В., 2012).

В Омской области из общей площади посева зерновых культур (2 млн. га) посевы ячменя занимают около 260 тыс. га или 13,7%, в том числе в южной лесостепной зоне — 15,8%. На ближайшую перспективу (до 2015 г.) площади посева ячменя в области, в том числе и на пивоваренные цели, должны достигнуть более 360 тыс. га (15%), в южной лесостепи — 110-120 тыс. га или 1819% от посевов зерновых культур.

По данным в Омской области площадь посева ячменя в 2012 году составила около 227,7 тыс. га, из них в южной лесостепи - 77,7 тыс. га или 34,1% от общей площади (приложение 2). Площадь посевов сортов ячменя Омский 90 составила 65,1 тыс. га; Омский 95 - 82,4 тыс. га; Авангард - 9,6 тыс. га; Омский голозерный 2 - 7,5 тыс. га; Аннабель - 2,4 тыс. га; Сигнал - 5,2 тыс. га, Ксанаду - 4,0 тыс. га и Беатрис - более 42,0 тыс. га. На пивоваренные цели используют сорта ячменя Омский 90, Сигнал, Аннабель, Беатрис и Ксанаду.

По ориентировочным оценкам для удовлетворения текущих потребностей населения в пиве заводы Западно-Сибирского региона (Новосибирская, Кемеровская, Омская, Томская, Тюменская области и Алтайский край) соответствующего профиля должны ежегодно получать около 80-100 тыс. тонн качественного зерна. Успешный опыт возделывания пивоваренного ячменя в Сибири показывает, что при стабильной экономической заинтересованности сельских товаропроизводителей на такой уровень производства зерна регион может выйти в ближайшие годы (Костылев А., 1972; Аниськов Н.И., 2010).

Потребность Омского завода компании «САН ИнБев» в зерне пивоваренного ячменя составляет около 50 тыс. тонн. В настоящее время мощность Омского филиала ОАО «САН ИнБев» составляет 8,3 млн. гектолитров пива в год. За период с 1999 года объем производства продукции завода увеличился более чем в 12 раз. Омский филиал является крупнейшим заводом компании «САН ИнБев» и

самым мощным пивоваренным заводом за Уралом, он входит в число крупнейших производителей пива в Европе. Завод предпочитает работать с зерном ячменя иностранной селекции: Беатрис, Аннабель, Ксанаду, Мадлен, Скарлет, Жозефин. Из отечественных сортов крайне ограниченно закупается ячмень сортов: Омский 90, Ача, Челябинский 99. Основные поставщики зерна -хозяйства лесостепной (Азовский, Марьяновский, Оконешниковский районы), степной (Павлоградский и Щербакульский районы) и подтаежной (Муромцевский район) зон Омской области. Недостающий объем пивоваренного ячменя закупается в хозяйствах Новосибирской, Тюменской областей и Алтайском крае.

До недавнего времени пивоваренные предприятия Сибири завозили ячмень с северо-западных и центральных регионов европейской части России, республик бывшего СССР, а также из стран дальнего зарубежья. Распад экономических связей с республиками, повышение транспортных тарифов на перевозку, а в последние годы и поставка не вполне качественного сырья заставляют сибирских пивоваров изыскивать возможности производить ячмень в местных условиях. Вследствие континентальности климата Западной Сибири, обязательным условием получения высококачественного сырья является разработка ресурсосберегающих технологий возделывания этой культуры.

При разработке и освоении зональных систем земледелия важная роль отводится проблеме эколого-токсикологической оценки почв и конечной продукции, оптимизации агрофизических свойств, питательного режима почвы, микробиологической активности с рациональным применением средств интенсификации, во многом определяющих продуктивность и качество сельскохозяйственных культур, а также изучению многокомпонентной системы «почва - растение - агрофитоценоз ячменя - конечная продукция».

Ресурсосберегающие технологии производства сельскохозяйственной продукции в Омской области - это адаптивно - ландшафтные технологии, основанные на принципе почвозащитного ресурсосбережения для получения экологически чистой продукции с повышенной продуктивностью при оптимальных затратах производственных и природных ресурсов [6]. Система

обработки почвы применяется дифференцированно в зависимости от особенностей агроландшафта и свойств почвы, степени проявления эрозионных процессов и биологических особенностей культур, предшественников и погодных условий (Кирюшин В.И., 1997; Прокуратова A.C., 2006; Личко А.К. и др., 2011).

Разработка адаптивных технологий возделывания пивоваренного ячменя применительно к специфическим почвенно-климатическим условиям Сибири способствует увеличению производства местного, более дешевого сырья, позволит повысить конкурентную способность продукции пивоваренных заводов и благоприятно скажется на финансовом оздоровлении производителей сельскохозяйственной продукции в регионе.

Основная задача современных адаптивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур заключается во всемерной биологизации и экологизации, при которых устраняется загрязнение почвы и растений вредными для них веществами, сохранении и воспроизводстве процессов повышения плодородия почвы. Разработка экологически безопасных ресурсосберегающих технологий возделывания зерновых культур в регионе всегда будет актуальной задачей (Донских О.В., 2005; Орсик Л.С., 2005; Гильгенберг И.В., 2007; Кузыченко Ю.А., 2012).

Земледелие является одним из наиболее значимых источников воздействия человека на окружающую природную среду. При этом используются возобновимые ресурсы (почва, вода, территория), естественные фитоценозы заменяются агроценозами, применяются удобрения, мелиоранты, средства защиты растений; меняются характеристики ландшафтов. По оценкам американских специалистов до трех пятых общего загрязнения окружающей среды связано с сельским хозяйством (Красницкий В.М., 2001).

Для установления оптимальных сочетаний применения в севооборотах систем обработки почвы и средств интенсификации (сельскохозяйственных культур), обеспечивающих получение экологически чистой продукции с повышенным качеством и продуктивностью, возникает необходимость

проведения комплексных исследований по изучению влияния антропогенных факторов на агрофитоценозы зерновых культур.

В настоящее время проблема получения высоких урожаев экологически безопасной продукции растениеводства является неотъемлемой частью экономической безопасности страны, что требует повышения рациональной интенсификации сельского хозяйства. В этой связи возникает необходимость осуществления постоянного экологического мониторинга состояния почвенного покрова и агрофитоценоза посевов выращиваемых зерновых культур.

В настоящее время процесс интенсификации в Западной Сибири поднимает ряд проблем и должен основываться на трех основных принципах: воспроизводство почвенного плодородия; эффективная защита растений от сорняков, вредителей и болезней; достижение оптимальной урожайности при освоении почвоохранных ресурсосберегающих технологий.

Цель исследования: комплексное изучение многокомпонентной системы «почва - растение - агрофитоценоз пивоваренного ячменя - конечная продукция» при влиянии абиотических, биотических и антропогенных факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Выявить закономерности и направленность изменений агрофизических параметров и элементов плодородия черноземных почв при длительном применении ресурсосберегающих систем обработки почвы и средств интенсификации при выращивании пивоваренного ячменя.

2. Определить количественные и качественные изменения агроэкологического и фитосанитарного состояния посевов пивоваренного ячменя в зависимости от воздействия антропогенных факторов (система обработки почвы и средства интенсификации).

3. Установить особенности и степень длительного воздействия приемов обработки почвы и средств интенсификации на микробиологический компонент почвенной среды и питательный режим почвы.

4. Выявить влияние средств интенсификации на формирование корневой системы, листовой поверхности у сортов пивоваренного ячменя.

5. Оценить влияние природных и антропогенных факторов на элементы структуры урожая, урожайность и качественные параметры зерна ячменя.

6. Провести экологическую оценку содержания тяжелых металлов, остатков пестицидов, радионуклидов в верхнем слое почвы и конечной продукции (зерно) при длительном рациональном применении средств интенсификации и ресурсосберегающей обработки почвы.

Научная новизна работы. Впервые в результате длительных (с 1972 г.) стационарных исследований изучена многокомпонентная система «почва — растение - агрофитоценоз пивоваренного ячменя - конечная продукция» при воздействии различных по интенсивности воздействия приемов обработки почвы и средств интенсификации. Установлены особенности агроэкологического и фитосанитарного состояния посевов пивоваренного ячменя в зависимости от воздействия антропогенных факторов (интенсивность обработки почвы и уровень применения средств интенсификации). Впервые определено влияние средств интенсификации на формирование корневой системы и фотосинтетическую деятельность у сортов пивоваренного ячменя. Проведен экологический мониторинг верхнего слоя черноземных почв и конечной продукции (зерно).

Основные положения, выносимые на защиту:

• основные закономерности и направленность изменений агрофизических параметров и элементов плодородия черноземных почв при длительном (40 лет) применении ресурсосберегающих систем обработки почвы и средств интенсификации;

• влияние антропогенных факторов на количественные и качественные изменения агроэкологического и фитосанитарного состояния агрофитоценоза посевов пивоваренного ячменя, структуру урожая, продуктивность и качес