Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование продуктивности яровой пшеницы в природно-экологических циклах территорий Красноярского края

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Формирование продуктивности яровой пшеницы в природно-экологических циклах территорий Красноярского края"

На правах рукописи

Никулочкина Светлана Николаевна

Формирование продуктивности яровой пшеницы в природно-экологических циклах территорий Красноярского края

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

Красноярск 2013

005542521

005542521

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор, чл-корр. РАСХН Цугленок Николай Васильевич

Хижняк Сергей Витальевич,

доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», кафедра ботаники, физиологии и защиты растений, профессор

Ковылин Николай Владимирович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», зав.кафедрой лесных культур, профессор

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 9:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90, e-mail: dissovet@kgau.ru, факс: 8 (391) 227-36-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

Демиденко Г. А.

Актуальность темы. В России значительная роль принадлежит Сибирскому федеральному округу, включающему территорию Красноярского края с масштабными природно-экологическими ресурсами для земледелия. Выход сельского хозяйства региона на устойчивые позиции по производству продовольственного зерна связан с применением современных средств точного земледелия при возделывании яровой пшеницы. Продукционный процесс яровой пшеницы формируется в агробиогеоцено-зах при сопряжении временной и пространственной структур. Агроэкологическая система характеризуется декомпенсационным эффектом, установленным Ю.Л. Рау-нером (1981), суть которого состоит в том, что снижение валовых сборов в неблагоприятный по солнечной активности год по абсолютной величине больше прибавки урожая в благоприятный год. Интенсивность инсоляции, действующей на агроэколо-гическую систему, распределяется на два полупериода солнечной активности различной мощности, которые чередуются согласно правилу, установленному М.Н. Гневы-шевым и А.И. Олем (1948), и составляют полный период инсоляции. По оценкам С.С. Бакая (1984), B.C. Шевелухи (1992), В.В. Шевелухи (1975), за счёт выбора оптимальных сортов приращение урожайности в благоприятные по солнечной активности годы может достигать 35^0 %. В работах В.А. Драгавцева (2000), A.A. Жученко (1988), В.И. Кирюшина (1996) показано, что потенциал высокопродуктивных сортов используется в АПК недостаточно - на 30-50 %. Согласно исследованиям Н.В. Цугленка, В.К. Ивченко и С.Н. Никулочкиной (2012), при подборе сортов, проявляющих адаптационный потенциал существенное значение имеют природно-экологические циклы в агробиогеоценозах. Следовательно, изучение влияния цикличности солнечной активности на формирование агроэкологической системы и продукционного процесса на территориях Красноярского края является перспективным направлением.

Цель исследования. Исследовать процессы формирования продуктивности яровой пшеницы для получения высоких и устойчивых урожаев в природно-экологических циклах лесостепных и степных зон Красноярского края.

Задачи исследования:

1. Обзор теоретических положений и систематизировать опытные данные по колебаниям продуктивности яровой пшеницы и урожайности её сортов на госсортоучастках (ГСУ) Красноярского края за период 2000-2011 гг.

2. Разработать аналитические модели продуктивности яровой пшеницы на ГСУ Красноярского края, позволяющие прогнозировать урожайность сортов яровой пшеницы в циклах солнечной активности.

3. Создать методику исследований циклов продуктивности яровой пшеницы с применением моделей для определения смены состояний продукционного процесса по развитию болезни растений и колебаниям урожайности сортов во времени и пространстве.

4. Раскрыть экологический механизм ротации сортов (сортооборот) яровой пшеницы с учётом влияния цикличности инсоляции на урожайность её сортов для повышения устойчивости продукционного процесса, спроектировать оптимальные сортообороты на ГСУ лесостепных и степных зон для повышения валового сбора зерна яровой пшеницы.

5. Определить эколого-экономическую эффективность проектов сортооборота яровой пшеницы на территориях Красноярского края.

Защищаемые положения: 1. Цикличность солнечной активности и сопряжение временных и пространственных факторов определяет квазипериодический характер колебаний урожайности

и основных показателей сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края.

2. Точность краткосрочного прогноза урожайности яровой пшеницы по моделям влияния цикличности инсоляции характеризуется возможностью определения устойчивых собственных циклов её сортов при долгосрочном прогнозе.

3. Устойчивость продукционного процесса обеспечивается декомпенсационным эффектом, создаваемым механизмом ротации сортов (сортооборотом) яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности. Повышение валового сбора зерна яровой пшеницы достигается применением проектов сортооборота (разработанных по данным ГСУ) в сельскохозяйственных районах Красноярского края.

Методы исследования. Системный экологический анализ с применением принципа Раунера декомпенсационного эффекта и правила Гневышева - Оля объединения полупериодов инсоляции; методы агроэкологической теории; гармонический анализ. Использован пакет компьютерной математики Maple.

Научная новизна исследования. Дополнены положения агроэкологической теории по прогнозированию продуктивности сортов яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности, выявлены циклы урожайности сортов яровой пшеницы по географическому расположению ГСУ. Предложены аналитические модели продуктивности яровой пшеницы, объясняющие изменчивость продукционного процесса в лесостепных и степных зонах Красноярского 1фая, как устойчивого системного процесса сопряжения временной и пространственной структур. Разработан и обоснован механизм ротации сортов яровой пшеницы, программы для ЭВМ, позволяющие проектировать сортообороты в условиях лесостепных и степных зон Красноярского края с учётом прогнозных значений и колебаний продукционного процесса.

Практическая значимость исследования. Разработаны проекты по сортообо-роту яровой пшеницы в лесостепной и степной зонах Красноярского края и предложена система мероприятий по повышению её продуктивности на Сухобузимском и Новосёловском ГСУ. Предложенная система сортооборота позволяет повысить валовые сборы яровой пшеницы в условиях Красноярского края. Основные результаты приняты к использованию филиалом ФГБУ «Госсорткомиссия» по Красноярскому краю, Республике Хакасия, Республике Тыва. Работа выполнена в рамках тематического плана-задания на выполнение научно-исследовательских работ ФПБОУ ВПО КрасГАУ по заказу Минсельхоза России за счёт средств федерального бюджета на 2013 год «Аналитический мониторинг агроэкологического зонирования земель Восточной Сибири на примере Красноярского края».

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований представлялись и обсуждались на научных конференциях различного уровня, в том числе: Международная научно-практическая конференция «Вавиловские чтения -2011», Саратов, 2011; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы инновационной агроэкономики», Саратов, 2011; Всероссийская очно-заочная научно-практическая и научно-методическая конференция с международным участием «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития», Красноярск, 2011, 2012; Региональная научная конференция «Аграрная наука - на рубеже веков», Красноярск, 2008. Основные теоретические методы и алгоритмы расчетов систематически докладывались на заседаниях научно-методического семинара НИИ Аналитического мониторинга и моделирования при ФГБОУ ВПО КрасГАУ «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов в АПК», Красноярск, 2010,2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 10 работ в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По материалам исследований получено пять свидетельств ФГУП «Информрегистр», в том числе на четыре электронных монографии, одну методическую рекомендацию (№ 27138,27285, 33088,33089, 33090); шесть свидетельств Роспатента на программы для ЭВМ (№ 2012617406, 2013612147, 2013613735, 2013618647, 2013619937,2013660524) и восемь актов внедрения результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений, списка литературы и приложения. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 21 таблицу. Список литературы из 220 наименований включает 9 источников на английском языке. Приложение на 6 страницах.

Личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены исследования, по изучению динамики урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах на примере 16 ГСУ Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва, проведённые автором с 2007 по 2013 г. Выявлены закономерности и зависимость урожайности сортов яровой пшеницы от цикличности солнечной активности во временной и пространственной структурах земледельческой части Красноярского края. Модели и методика исследований продуктивности яровой пшеницы, определение декомпенсационного эффекта в природно-экологических циклах, проекты формирования сортооборота для лесостепных и степных зон Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва, а также научные выводы впервые предложены автором.

Благодарности. Выражаю благодарность д.т.н., профессору, чл.-корр. РАСХН Н.В. Цугленку, д.с.-х.н., профессору В.К. Ивченко, а также начальнику филиала ФГБУ «Госсорткомисия» по Красноярскому краю, Республике Хакасия, Республике Тыва A.A. Количенко за научные и профессиональные консультации при выполнении работы.

Глава 1. Анализ теоретических положений и опытных данных госсортоучастков по оценке колебаний продуктивности яровой пшеницы.

Даны аналитический обзор цикличности продукционного процесса в агроэко-логических системах, геоинформационные оценки резистентности (по степени поражения септориозом) и урожайности сортов, а также, по данным ГСУ, проведён анализ устойчивости циклов продуктивности яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности.

На геоинформационных картах раскрыты природно-территориальные различия в уровнях урожайности сортов яровой пшеницы, например, для сорта Скала за временной интервал с 2000 по 2011 г. (рис. 1) и аналогично по степени поражения септориозом (в тексте диссертации). Анализ данных по степени поражения септориозом растений яровой пшеницы за период 2000-2011 гг. показал неоднородность этого показателя по географическому расположению ГСУ и дифференцированность по количеству сортов с наибольшим поражением: Уярский и Дзержинский ГСУ - 7 сортов, Ужурский ГСУ - 5, Минусинский ГСУ - 2 сорта. Анализ сортов яровой пшеницы за период 2000-2011 гг. выявил существенную зависимость количества сортов с высокой урожайностью от территориального распределения ГСУ: Ужурский ГСУ - 7 сортов, Назаровский - 6, Сухобузимский - 3 сорта.

Район

1. Дасржинский

2. Казачинский

3. Кннский

4. Каратулский

5. Краснотуранским

6. Минусинский

7. Но тройский

8. Новоссповский

9. Саянский

10. Сухобулимскпй

11. Ужурский

12. Уярский

Урожайкос-п. пшеницы, и/ га

34,12 17,85 33,82 24,57 25,99 25,63 37,34 31,32 24,23 34.65 42.00 22.53

Вег. перши.

ПШСШП1Ы.

83,44

73.02 82,09 91.35 86,90 90,29

88.89

93.03

89.90 92,26 88.23 93,42

Урожайное сор-га, а'га

31,42

16.65

3538

24.04

21.68

20,50

3432

26,29

22,20

30,22

39,23

20,17

Вег. период, сор: а, ли

81.92 68,42 78,91 89,00 80.25 84 Д9 82,91 92,29 88.27 88,25 84,33 87.55

Краснояр<

Рисунок 1 -Распределение урожайности сорта Скала по районам (по данным ГСУ) (аналогичные карты по другим сортам яровой пшеницы представлены в диссертационной работе)

Наиболее высокие урожаи не всегда соответствуют максимальной солнечной активности, что находит отражение в цикличности процессов по временной и пространственной структурам, например, на Минусинском ГСУ (рис. 2-3).

Геоинформационная систематизация данных сортов яровой пшеницы показала необходимость представления динамики урожайности как устойчивого системного процесса сопряжения временной и пространственной структур, что предопределяет исследования по выбору оптимального сорта яровой пшеницы по адаптивности к изменяющимся природно-экологическим условиям.

Глава 2. Моделирование и прогнозирование продуктивности яровой пшеницы на госсортоучастках в циклах солнечной активности

Предложены концепция моделирования продуктивности яровой пшеницы по временной и пространственной структурам, модели сопряжения циклов солнечной активности с циклами продуктивности яровой пшеницы, динамика урожайности и основных показателей сортов яровой пшеницы.

Научная гипотеза о характере сопряжения временной и пространственной структур предложена для объяснения механизма и квазипериодических изменений продуктивности яровой пшеницы (и урожайности её сортов) в полупериоде солнечной активности и создания аналитического аппарата для проведения исследований на ГСУ Красноярского края.

Модельная оценка и прогноз динамики показателей высоты растений (см), продолжительности вегетационного периода (дн.), степени поражения (%) септорио-зом сортов яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности в зависимости от номера года (х) в этом полупериоде и номера года {у) в цикле продуктивности яровой пшеницы представлена следующей функцией регрессии:

Рисунок 2 - Сопряжение показателей сорта Ветлужанка на Минусинском ГСУ

-- 1 ■ 1---!---Г"-"Т-—Л-

Рисунок 3 - Сопряжение показателей сорта Кантегирская 89 на Минусинском ГСУ

Урожайность, ц/га Высота растений, см Вегетационный период, дн. Степень поражения септориозом, %

•К*. +

■!,(*)= 6,Х + Ь2х2 + ЬЪХЪ + ¿4*" + 65Х5 ,

«з 60 = Ь6у + ьу + Ьау3 + Ь,уА + Ьму',

где b0, b¡, b2, b3, b4, b5, b6, b-,, bs, bg, b,0 - отыскиваемые коэффициенты регрессии; si (*)> 52 Ы - вклад полупериода солнечной активности и цикла продуктивности яровой пшеницы в развитие процесса по выбранному показателю.

Определение начала цикла процесса по выбранному показателю. Оптимальный вариант цикла, в котором изменяется переменное у, выбирается из списка всех возможных вариантов согласно критерию максимума детерминированности [R2 ~> шах) и минимума абсолютной и относительной погрешностей (¡■2 —> min, S1 ->■ min). В этом случае развитие процесса по выбранному показателю объясняется эффектом сопряжения полупериодов солнечной активности и собственных циклов сортов яровой пшеницы.

Определение перевала продуктивности. Динамика и прогноз продуктивности (и,ц! га) яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности на Дзержинском, Ка-зачинском, Канском, Каратузском, Краснотуранском, Минусинском, Назаровском, Новосёловском, Саянском, Сухобузимском, Ужурском, Уярском ГСУ Красноярского края, в Республике Тыва (Пий-Хемском ГСУ), а также Бейском, Боградском, Ширин-ском ГСУ Республики Хакасия, в зависимости от номера года (ж) в полупериоде солнечной активности и продолжительности вегетационного периода (г, дн.) представляется предложенной полиномиально-логарифмической функцией:

u(x,t)= р0(х)+ р,(ж)-Ы + р2(*)■ In2t + р3(*)■ In3/ + pt (*)■ In4 / + p5(*)• In51,

где jr = 0,l,...10,ll; pr(x) - многочлены степени r=1,..., 5. Из предложенной гипотезы сопряжения вытекает, что в окрестности точки перевала относительная погрешность S приближения функции u{x,t) к экспериментальным данным резко возрастает.

Динамика урожайности, высоты растений, продолжительности вегетации и степени поражения септориозом сортов Алтайская 60, Безим, Ветлужанка, Икар, Кан-тегирская 89 и других по модельным годам (начало - 2000 г., конец - 2011 г.) в перечисленных районах представлена квазипериодическими функциями следующего вида:

_л\ A , . 2nkt А 2nkt , . 2nkt

= i* + sm^r- + La2* cos—-+b2t sin—-+

*-i A A 4=1 1г Li

"j

cos-

2nkt , . 2nkt

где с - среднее значение моделируемого показателя за промежуток с 0-го по 11-й модельный год; Т1г Т2, Тъ - периоды солнечной активности и действия двух производных факторов на исследуемый сорт; аи,аи,азк и Ь]к,Ь21с,Ьгк - коэффициенты Фурье.

В частности, при разложении в ряд функции урожайности сорта определяется

потенциал - с = и — урожайности этого сорта. Аналогично вводятся понятия по-

га

тенциалов высоты растений сорта - с = см - и продолжительности вегетации -с = Мро! ди- Потенциалы характеризуют индивидуальную особенность данного сорта в идеальных условиях развития при отвлечении от внешних возмущающих факторов.

Глава 3. Методика исследований циклов продуктивности яровой пшеницы на опытных данных госсортоучастков Красноярского края

Обосновано влияние циклов солнечной активности на колебания продуктивности яровой пшеницы в агробиогеоценозах, разработаны методики определения циклов развития болезни (по степени поражения септориозом) и определения циклов продуктивности и урожайности сортов яровой пшеницы.

На предварительном уровне исследований динамики колебаний продуктивности яровой пшеницы с 2000 г. по 2011 г. устанавливалась её зависимость от продолжительности вегетационного периода. Эта зависимость оказалась детерминированной лишь на 32,4-65,4 %, что существенно ниже порогового значения 95 %. При этом рост корреляционных связей в отдельные годы (по корреляционному отношению до 96,2 % и выше) указал на циклическую перестройку динамики продуктивности яровой пшеницы на различных ГСУ Красноярского края. Циклические изменения продуктивности яровой пшеницы предложено объяснить влиянием цикличности солнечной активности (рис. 4).

На основном уровне исследований разработана методика определения и прогнозирования циклов болезни растений яровой пшеницы и циклов продуктивности яровой пшеницы (урожайности её сортов) в цикле солнечной активности с использованием моделей продуктивности.

Рисунок 4 - Сопряжение временных структур солнечной активности и продуктивности яровой пшеницы

Схема определения развития септориоза (.?, %) яровой пшеницы (по степени поражения растений септориозом) на примере Канского ГСУ в зависимости от номера года (х) в полупериоде солнечной активности и номера года (у) в цикле яровой пшеницы представляется функцией (рис. 5, 6):

5(х, у) = 60 + 2>,х + Ь2х2 + Ъъхъ + V4 + V5 + ьбУ + ЬУ + ЬУ + ЬУ + К/.

где Ь0=5,441798942; 1)1=31,80361905; Ьг=-15,45196649; Ъ3=2,808348765; Ь4=-0,2115432099; Ь5=0,005527777777; Ъ6=34,56268783; Ь7=-18,81390652; Ъ8=-0,7215652564; Ъ9=1,580114639; Ью=-0,1932566138 - коэффициенты регрессии.

Рисунок 5 - Развитие септориоза у растений Рисунок 6 - Динамика развития септориоза

на Канском ГСУ при сопряжении циклов инсо- (по степени поражения растений) яровой пшеницы ляции и яровой пшеницы, опытные точки и по- на Канском ГСУ

верхность отклика - Массив септориоза, %

- Функция септориоза, %

Схема определения продуктивности (и, у/га) яровой пшеницы на примере Назаровского ГСУ в зависимости от номера года (х) в полупериоде солнечной активности и продолжительности вегетационного периода (г, дн.) включает функциональное описание урожайностей конкретных сортов (табл. 1) и урожайности условного среднего сорта (в диссертации).

Таблица I - Анализ погрешностей в точке перевала урожайности сорта Тулунская 12 _____яровой пшеницы на Назаровском ГСУ*_

Модельный год в солнечной активности, X Календарный год Период вегетации, дн. Урожайность, ц/та Вычисленная урожайность, ц/га £, ц/'га S ,%

0 2000 84,00 47,30 47,5091188 -0.2091188 -0.4421117

1 2001 92.00 33.10 32,9274507 0,17254928 0.52129692

2 2002 79.00 48,00 47.6523494 0.34765053 0.72427195

2003 82,00 35.80 35,7761662 0.02383374 0.06657471

4 2004 91.00 48.70 48.9772904 -0.2772904 -0.5693848

5 2005 74.00 44.60 44.7375769 -0.1375769 -0,3084685

6 2006 77,00 28,00 29.0524319 -1.0524319 -3,7586855

7 2007 77.00 34.50 33.1517214 1.34827853 3,90805373

8 2008 85,00 23,00 22,1507246 0,84927535 3,69250155

9 2009 82,00 27,40 29,0723679 -1,6723679 -6,1035328

10 2010 82.91 35,81 35.1222596 0.68774038 1.92052606

11 2011 89,00 23.50 23.5805416 j -0.0805416 -0.3427302

* Коэффициент детерминации зависимости составляет 99.26 %.

Гак, урожайность (и, и!га) сорта Тулунская 12 в Назаровском районе в зависимости от номера года (х) в полупериоде солнечной активности и продолжительности вегетации (/, дн.) представляется функцией:

и(х,1) = Ь0+Ь1х + Ь11п 1+Ь-х- +Ь41п21 + Ь5х 1п / + Ььхъ + Ь71п3/ +6„х 1гГ/ +69х21п/,

где Ь,>=455092.5858; Ь,=3888.27914: Ь2=-305375.0127; Ы=79.920013б5; Ь4=68379.41562: Ь5=-1943.620002: Ь6=0Л019853233; Ь,=-5109.056206: Ь8=240,5337975; Ь9=-18,27415806 - коэффициенты регрессии.

За точку перевала продуктивности сорта принят 8,5 модельный год: четверть-период завершается 8-м модельным годом и следующий четверть-период начинается 9-м модельным годом (см. табл. 1). Рассмотрение результатов исследований по моделированию и теоретическому объяснению изменений продуктивности яровой пшеницы (и урожайности её сортов) в зависимости от продолжительности вегетационного периода в полупериоде солнечной активности, приходящемся на 2000-2011 годы, даёт основание полагать, что учёт свойства их цикличности и сопряжённости, выраженный в терминах регрессионного анализа, позволяет объяснить изменение продуктивности во временном диапазоне 2000-2011 годов более, чем на 95 %.

Глава 4. Проектирование сортооборота яровой пшеницы по временной и пространственной структурам

Раскрыта взаимосвязь солнечной активности и декомпенсационного эффекта сортооборота яровой пшеницы, предложены проекты сортооборота яровой пшеницы для лесостепных и степных зон. Введённая продуктивность сортооборота в к-м году равна сумме компенсационного и декомпенсационного эффектов сортооборота в этом модельном году. Исследования поведения системы урожайности и основных показателей яровой пшеницы на ГСУ Красноярского края в цикле солнечной активности выявили три периода колебаний этих показателей. Первый из них - 12-летний цикл продуктивности - соответствует одному из возможных значений продолжительности солнечной активности, второй и третий периоды зависят от географического расположения полей ГСУ и особенностей адаптации конкретного сорта к данным природ-но-экологическим условиям. Вычислительный эксперимент с разработанной квазипериодической моделью динамики системы продуктивности и основных показателей с выбором основного периода в диапазоне от 7 до 15 лет с шагом 0,005 показал, что наименьшая погрешность сглаживания экспериментальных данных достигается при основном периоде, равном 12, по всем исследуемым сортам на всех ГСУ. Второй и третий периоды подбирались также методом эксперимента на компьютере с условием, чтобы достигалась минимальная погрешность приближения и выполнялось условие устойчивости процесса на период с 12-го по 30-й модельный год. Наиболее удачными начальными приближениями оказались точки (4,5; 2,5) и (4,2; 2,7), которым соответствуют средние периоды 3,50 и 3,45 года. Функции урожайности, высоты растений, продолжительности вегетации на каждом конкретном ГСУ разложены в ряд Фурье со сложным спектром, например, для Новосёловского и Уярского ГСУ (рис. 7, табл. 2-3). Колебания урожайности, высоты растений, продолжительности вегетации и степени поражения септориозом имеют общую квазипериодическую природу -подчинены циклам солнечной активности и устойчивы в определённых диапазонах. Этот тезис подтверждён статистическим анализом и моделированием данных по всем сортам яровой пшеницы, возделываемым на ГСУ Красноярского края в период с 2000 по 2011 г. Устойчивые продукционные процессы, описываемые квазипериодическими функциями, могут быть спрогнозированы методом аналитического продолжения с временной области 2000-2011 гг. на область 2012-2030 гт.

Для зоны лесостепи, в которой расположены поля Канского, Каратузского, Назаровского, Сухобузимского, Ужурского, Уярского ГСУ, соотношения индексов урожайности (U, ц/га/см) и продолжительности вегетации (W, сут/см) имеют вид: 0,353:0,839; 0,248:0,931; 0,268:0,988; 0,324:0,846; 0,422:0,877; 0,250:0,985. Следовательно, в лесостепной зоне устойчивый продукционный процесс характеризуется следующими диапазонами изменений индексов урожайности и продолжительности веге-

тации: 0,248 <[/ <, 0,442; 0,839 ^ IV 2 0,988. Аналитическое представление системы урожайности и основных показателей позволило найти критериальные соотношения на эквиваленты устойчивых процессов. Диапазон изменения индекса урожайности для лесостепной зоны существенно шире, чем для степной, а индекса продолжительности вегетации шире для степной зоны, чем для лесостепной.

Рисунок 7 - Аналитическое продолжение динамики системы урожайности и основных показателей яровой пшеницы на Уярском ГСУ — Урожайность, ц/га Высота растений, см ....•.-«....I Вегетационный период, дн. ■'-■»'Степень поражения септориозом, %

В лесостепных зонах Красноярского края устойчивую продуктивность пшеницы при колебаниях урожайности отдельных сортов по годам полупериода солнечной активности обеспечивает оптимальная подгруппа сортов, урожайность которых в заданном году будет выше урожайности условного среднего сорта.

Сорта из оптимальной подгруппы включены в сортооборот по годам полупериода солнечной активности. Например, на Канском ГСУ максимум продуктивности обеспечивается подгруппой следующих сортов: Новосибирская 15, Новосибирская 29, Омская 32, Скала, Тулун 15, Тулунская 12. На Каратузском ГСУ: Ветлужанка, Кантегирская 89, Мана 2, Новосибирская 15, Новосибирская 29, Омская 20, Омская 32, Омская 33, Черемшанка и т.д.

Структурировать оптимальную подгруппу по времени, задав порядок смены сортов при переходе от одного года к другому, - это и означает «спроектировать сортооборот». Из сопряжения циклов солнечной активности с циклами урожайности сортов на Каратузском ГСУ видно (табл. 4), что в 0-й модельный год (2000, 2012, 2024, ...) на первом месте среди сортов с урожайностью 33,758 ц/га находится сорт Черемшанка, на втором месте - Кантегирская 89 с урожайностью 32,655 ц/га. Урожайность этих сортов превышает продуктивность яровой пшеницы 27,664, отнесённую к нулевому году и т.д. (рис. 8).

Модельный год Календарный год Новосибирская 15 Новосибирская 29 Омская 32 Тулунская 12 Условный сорт

0 2000 29,18 31,38 42,40 25,96 30,92

1 2001 28,46 26,86 23,17 25,34 35,26

2 2002 24,10 25,25 - 24,57 10,54 27,29

3 2003 24,49 28,53 26,22 23,95 24,77

4 2004 30,00 28,80 32,46 25,78 16,85

5 2005 20,29 21,66 22,04 16,66 21,49

6 2006 9,07 8,35 9,20 7,32 15,21

7 2007 25,11 30,78 29,59 23,21 28,13

8 2008 38,25 38,79 37,42 22,68 31,18

9 2009 35,53 39,33 45,16 36,44 31,97

10 2010 32,23 36,64 30,76 27,78 29,39

11 2011 45,66 48,99 44,48 45,07 28,00

0 -. 2012 3330 -. 34,38 33,24 28,80 31,82

1 2013 18,61 27,42 39,78 16,31 30Д7

2 2014 21,12 25,23 19,39 19,04 32,61

3 2015 37,62 25,06 23,08 20,60 23,21

Таблица 3 - Аналитический прогноз урожайности яровой пшеницы на 2012-2015 годы на Уярском ГСУ, ц/га

Модельный год Календарный год Новосибирская 15 Новосибирская 29 Омская 32 Тулунская 12 Условный сорт

10 2010 24,16 22,03 24,28 22,59 22,42

11 2011 25,99 28,20 26,11 23,00 24,50

0 2012 23,71 25,13 29,12 24,89 24,52

1 2013 36,93 45,40 38,51 23,72 31,55

2 2014 12,18 14,60 9,66 9,22 13,56

3 2015 35,84 20,21 23,13 22,74 23,91

Таблица 4 - Сопряжение циклов солнечной активности с циклами урожайности сортов на Каратузском ГСУ

Модельный год в солнеч Ветлужан-ка Кантепгр-ская 89 Мама 2 Новосибирская 15 Новосибирская 29 Омская 20 Омская 32 Омская 33 Тулунская 12 Черемшан-ка Продук-

Календарный год Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- Мо- тивность

ной активности, дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Уро-жай- дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Урожайность дельный год Урожайность яровой пшеницы, ц/га

X культуры культуры культуры культуры культуры культуры культуры культуры культуры культуры

0 2012, 2024 4 29,2 06 4 32,6 55 2 24,6 68 2 25,5 15 2 26,0 49 3 28,8 89 1 24,5 36 2 25,5 89 2 22,1 08 1 33,7 5« 27,664

1 2013, 2025 5 20,1 45 5 23,4 95 3 21,9 58 3 24,0 01 3 25,8 09 4 21,9 69 2 16,7 77 3 24,0 88 3 22,0 57 2 18,5 61 19,435

2* 2014, 2026 0 20,4 99 0 20,6 01 4 19,2 65 4 21,4 02 4 233 39 5 20,4 53 3 23,6 19 4 25,2 99 4 14,7 32 3 20,9 47 19,132

3 2015, 2027 1 10,5 41 1 10,4 84 5 11,2 02 5 14,1 05 5 12,5 71 0 15,1 91 4 11,3 83 5 10,1 96 5 11,7 66 4 12,0 64 12,619

4 2016, 2028 2 15,6 06 2 14,4 53 0 17,1 •77 0 11,9 15 0 15,1 10 1 15,1 51 5 14,9 74 0 12,8 37 0 10,0 83 5 16,8 92 14,393

5 2017, 2029 3 20,9 70 3 18,4 22 1 25,1 03 1 17,6 63 1 17,5 74 2 19,0 68 0 18,8 66 1 17,6 88 1 16,9 47 0 21,7 06 20,013

6 2018, 2030 4 24,4 51 4 20,6 16 2 22,6 47 2 24,0 92 2 22,8 97 3 21,6 72 1 21,2 15 2 25,8 48 2 25,4 72 1 26,7 96 23,306

7 2019, 2031 5 39,8 23 5 30,0 26 3 41,3 96 3 37,9 78 3 38,4 18 4 30,7 26 2 38,1 57 3 36,8 12 3 33,7 74 2 32,3 86 36,026

8* 2020, 2032 0 31,3 25 0 31,0 17 4 31,0 58 4 29,6 90 4 31,9 19 5 34,2 13 3 34,2 51 4 34,0 66 4 27,7 01 3 29,5 47 32,490

9 2021, 2033 1 35,3 57 1 28,3 74 5 33,4 81 5 40,2 92 5 37,7 26 0 32,1 02 4 34,8 08 5 35,8 98 5 31,7 96 4 24,9 06 33,597

10 2022, 2034 2 23,7 74 2 26,1 71 0 22,8 60 0 29,8 59 0 29,1 28 1 23,8 87 5 23,7 83 0 23,3 60 0 23,5 04 5 22,2 41 26,294

11 2023, 2035 3 30,1 04 3 22,0 86 I 24,3 85 1 25,8 88 1 27,2 11 2 23,9 59 0 28,9 02 1 32,6 77 1 25,1 40 0 24,0 76 29,905

* Начало четверть-цикла для условного сорта ГСУ.

Рисунок 8 - Динамика еортооборота яровой пшеницы на Каратузском ГСУ

В сортообороте на Каратузском ГСУ сорта Омская 33 и Черемшанка имеют наибольшую относительную частоту появления (0,166), на втором месте - сорта Мана 2, Новосибирская 15, Новосибирская 29 (0,125). на третьем месте находятся сорта Вет-лужанка, Омская 20, Омская 32 (0,083). на четвёртом месте по относительной частоте появления в сортообороте находится сорт Кантегирская 89 (0,041),

В лесостепной зоне циклы условного (среднего) сорта на Назаровском ГСУ начинаются в 1-м модельном году. На Сухобузимском ГСУ начинаются в 0-м модельном году. На Ужурском и Уярском ГСУ совпадают и начинаются в 3-м модельном году. Цикл условного сорта на Канском ГСУ начинается в 5-м, а на Каратузском ГСУ - во 2-м модельном году. Группировка ГСУ по циклам урожайности условного (среднего) сорта (продуктивности яровой пшеницы) является основанием для формирования сортооборотов в земледельческой часги лесостепной зоны. Например, цикл урожайности сорта Новосибирская 15 на Канском ГСУ начинается в 1-м модельном году, Каратузском - 4, Назаровском - 0, Сухобузимском - 3. Ужурском - 1, в Уярском ГСУ начинается во 2-м году. При этом в каждом из перечисленных ГСУ цикл урожайности сорта Новосибирская 15 не совпал с циклом условного сорта. Для сорта Новосибирская 29 на Канском ГСУ начинается в 4-м модельном году, Каратузском -4. Назаровском - 1. Сухобузимском - 4. Ужурском - 2. в Уярском ГСУ начинается в

4-м модельном году. При этом цикл урожайности сорта Новосибирская 29 совпал с циклом условного сорта на Назаровском ГСУ. Цикл урожайности сорта Тулунская 12 на Канском ГСУ начинается в 5-м модельном году, Каратузском - 4, Назаровском - 3, Сухобузимском - 1, Ужурском - 1, в Уярском ГСУ начинается в 1-м модельном году. При этом цикл урожайности сорта Тулунская 12 совпал с циклом условного сорта на Канском ГСУ.

В степных зонах также выполнена группировка по циклам урожайности и разработаны проекты сортооборота яровой пшеницы (в тексте диссертации).

Глава 5. Эколого-экономическая эффективность сортооборота яровой пшеницы для зернового комплекса Красноярского края

Рассмотрен эколого-экономический механизм регулирования сортооборота яровой пшеницы по сортоучасткам и временным периодам, дана эффективность проектов сортооборота яровой пшеницы, оптимизированных под лесостепные и степные зоны.

В лесостепных зонах при закупочной цене в 470 руб/ц зерна яровой пшеницы в 2011 году, установленной МСХ РФ, приращение продуктивности в лесостепных зонах в денежном эквиваленте составляет в год (в среднем за 12-летний период) 2130,19 руб/га при эффективности использования потенциала сортов 87,76 % (табл. 5).

Таблица 5 - Эффективность введения сортооборота яровой пшеницы в лесостепных зонах *__

Район Продуктивность при сортооборо-те, ц/га. Продуктивность без сортооборота, ц/га Приращение продуктивности за счёт сортооборота, ц/га Использование потенциала сортов без сортооборота, % Эффект от введения сортооборота, %

Назаровский 543,255 448,124 95,131 82,49 17,52

Канский 456,55 405,854 50,696 88,90 11,11

Каратузский 347,608 294,874 52,734 84,83 15,18

Сухобузимский 464,858 415,784 49,074 89,44 10,56

Ужурский 537,969 503,974 33,995 93,68 6,32

Уярский 314,987 270,364 44,623 85,83 14,17

Лесостепь 444,205 389,829 54,376 87,76 13,95

* Суммарное значение за 12 лет с 2000 по 2011 г.'

В Назаровском районе эффект от введения сортооборота в денежном эквиваленте оценивается в 3725,96 руб/га, Канском районе - 1985,59, Каратузском - 2065,41 руб/га и т.д. По экономическому эффекту в лесостепных зонах на первое место выходит зерновой комплекс Назаровского района, на второе место - Каратузского района.

В степных зонах приращение продуктивности в денежном эквиваленте составляет в год 2606,15 руб/га при эффективности использования потенциала сортов 81,92 % (табл. 6). В Боградском районе эффект от введения сортооборота в денежном эквиваленте оценивается в 1673,70 руб/га, Бейском - 2453,59, Новосёлов-ском - 3295,32, Минусинском - 2281,18, Ширинском районе - 3327,09 руб/га.

Таблица б - Эффективность введения сортооборота яровой пшеницы __встепных зонах * _

Район Продуктивность при сорто-обороте, ц/га Продуктивность без сортооборота, ц/га Приращение продуктивности за счёт сортооборота, ц/га Использование потенциала сортов без сортооборота, % Эффект от введения сортооборота, %

Боградский 272,057 229,324 42,733 84,29 15,71

Бейский 382,069 319,424 62,645 83,60 16,40

Новосёловский 459,910 375,774 84,136 81,70 18,30

Минусинский 365,827 307,584 58,243 84,07 15,93

Ширинский 360,921 275,974 84,947 76,46 23,54

Степь 368,156 301,616 66,540 81,92 18,08 -

* Суммарное значение за 12 лет с 2000 по 2011г.-'

По экономическому эффекту за счёт адаптированности выбираемых сортов к природно-экологическим условиям в степных зонах на первом месте находится зерновой комплекс Ширинского района, на втором - Новоселовского района, на третьем месте - Бейского района.

Общие выводы

1. На основе анализа сопряжения временной и пространственной структур природно-экологических условий в земледельческих зонах Красноярского края и геоинформационной систематизации данных по урожайности и основным показателям сортов яровой пшеницы разработан теоретический подход, объяснивший квазипериодический характер смены состояний продукционных процессов взаимодействием циклов солнечной активности и производных циклов по географическому расположению ГСУ.

2. На основе предложенной гипотезы о характере сопряжения временной и пространственной структур в продукционных процессах яровой пшеницы разработан аналитический аппарат для проведения исследований и прогнозирования влияния цикличности инсоляции на колебания урожайности её сортов: система моделей предиктор-корректор, в которой первая (полиномиально-логарифмическая) модель определяет циклы урожайности сортов, а вторая (квазипериодическая) корректирует и выступает в качестве критерия для расчёта прогнозных значений урожайности сортов.

3. По предложенным методикам определения циклов урожайности и основных показателей яровой пшеницы выявлены точки перевала (изменения ритмики сортов), обусловливающие вписываемость собственных циклов сортов в полупериод солнечной активности по географическому расположению ГСУ (адаптивность к временной и пространственной структурам): лесостепи (Назаровский - 6,5; Канский - 4,5; Кара-тузский - 1,5; Сухобузимский - 5,5; Ужурский - 2,5; Уярский - 8,5); степи (Боград-ский - 2,5; Бейский - 3,5; Новосёловский- - 3,5; Минусинский - 1,5; Ширин-ский - 7,5).

4. Получен перспективный прогноз урожайности сортов яровой пшеницы до 2030 года (и обоснован краткосрочный прогноз на 2012-2014 годы). Предложенный механизм ротации сортов (сортооборот) выбирает сорта яровой пшеницы, создающие совокупный декомпенсационный эффект по годам полупериода солнечной активности, и обеспечивает устойчивую продуктивность при колебаниях урожайности отдельных сортов. Разработаны проекты оптимального сортооборота для ГСУ лесо-

степных (Назаровского, Канского, Каратузского, Сухобузимского, Ужурского, Уяр-ского) и степных (Боградского, Бейского, Новосёловского, Минусинского, Ширин-ского) зон для повышения валового сбора зерна без привлечения дополнительных ресурсов на заданной площади посевов.

5. Рассчитанный экономический эффект от внедрения разработанного проекта сортооборота яровой пшеницы в лесостепных зонах Красноярского края в денежном эквиваленте оценивается в 2129,73 руб/га, причём наибольший эффект 3725,96 руб/га возможен в Назаровском районе. В лесостепных зонах потенциал сортов в сортообо-роте используется на 87,76 %, а в Назаровском районе - на 82,49 %. Экономический эффект от реализации проекта сортооборота в степных зонах оценивается в 2606,15 руб/га, а наибольший эффект 3327,09 руб/га возможен в условиях Ширинско-го района. В степных зонах потенциал сортов в сортообороте используется на 81,92 %, а в Ширинском районе на 76,46 %. В целом, рекомендуемые сорта яровой пшеницы, выбранные для исследований, более адаптированы к условиям лесостепных зон, чем к условиям степных зон, поскольку в последних эффективность использования потенциала сортов в сортообороте ниже на 5,84 %. Районирование новых сортов яровой пшеницы для степных зон будет способствовать сглаживанию этого различия в экономическом эффекте.

Практические рекомендации

1. Предложить Министерству сельского хозяйства и продовольственной политики Красноярского края модели и компьютерные программы по прогнозированию урожайности сортов яровой пшеницы для включения в АРМ агронома, ориентированного на точное земледелие (свидетельство Роспатента № 2012617406).

2. Использовать разработанные проекты сортооборотов яровой пшеницы в производственных условиях Сухобузимского и Новосёловского районов для повышения валового сбора зерна. Формировать звенья севооборотов сельскохозяйственных культур с учётом проектов сортооборота яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края (акт внедрения № 2012061901).

3. Включить проектирование сортооборотов яровой пшеницы с учётом влияния цикличности инсоляции в учебный процесс Института агроэкологических технологий ФГБОУ ВПО КрасГАУ по курсам «Сельскохозяйственная экология» и «Растениеводство» (свидетельство Информрегистра № 27138).

Публикации по теме диссертации

в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ивченко В.К., Никулочкина С.Н., Количенко АЛ. Определение продуктивности яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности // Веста. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 1. - С. 51-58.

2. Ивченко В.К., Рудой Н.Г, Крупкин Л.И., Никулочкина С.Н. Информационная модель прогнозирования процессов и событий в агроэкологической среде // Веста. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 5. - С. 188-191.

3. Цугленок Г.И., Ивченко В.К., Никулочкина С.Н. Моделирование распространения и развития бурой ржавчины у яровой пшеницы И Веста. КрасГАУ. -Красноярск, 2011.-№ 12. - С. 104-109.

4. Цугленок Г.И., Никулочкина С.Н. Моделирование влияния биофизических факторов на уровень запаса инфекции в почве // Веста. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 6. - С. 33-38.

5. Цугленок Г.И., Цугленок H.H., Никулочкина С.Н. Моделирование распро-

1S

странения и развития корневой гнили у яровой пшеницы // Вести. КрасГАУ -Красноярск, 2011. - № 11. - С. 102-109.

6. Цугленок Н.В., Ивченко В.К., Никулочкина С.Н. Моделирование распространения и развития септориоза у яровой пшеницы II Веста. КрасГАУ. - Красноярск, 2011. - № 12. - С. 62-67.

7. Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. Модели определения запаса инфекции в почве // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 7. - С. 33-38.

8. Цугленок Н.В., Цугленок Н.Н., Никулочкина С.Н. Моделирование циклов урожайности сортов яровой пшеницы // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2011 -№ 11.-С. 31-37.

9. Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н., Ивченко В.К. Геоинформационный анализ продуктивности яровой пшеницы в Красноярском крае // Вестн. КрасГАУ -Красноярск, 2012. - № 7. - С. 54-59.

10. Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н., Ивченко В.К. Моделирование динамики продуктивности и биометрических показателей яровой пшеницы II Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. -№ 8. - С. 58-63.

в реестрах Роспатента

11. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВМ № 2012617406 РФ. Моделирование динамики продуктивности яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности для земледельческих зон Красноярского края (ИВЦ КрасГАУ № 24) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. - М: Роспатент, 17 августа 2012.

12. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВМ № 2013612147. Моделирование динамики системы биометрических показателей и урожайности сортов яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности для степных зон Восточной Сибири (ИВЦ КрасГАУ № 23) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. - М: Роспатент, 15 февраля 2013.

13. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВМ № 2013613735. Моделирование динамики системы биометрических показателей и урожайности сортов яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности для лесостепных зон Восточной Сибири (ИВЦ КрасГАУ № 25) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. - М: Роспатент, 15 апреля 2013.

14. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВМЖг 2013618647. Моделирование влияния цикличности солнечной активности на урожайность сортов яровой пшеницы в условиях степи Восточной Сибири (ИВЦ КрасГАУ № 26) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. - М: Роспатент,12 сентября 2013 г.

15. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВМ№ 2013660524. Моделирование влияния цикличности солнечной активности на урожайность сортов яровой пшеницы в условиях лесостепи Восточной Сибири (ИВЦ КрасГАУ № 27) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. -М: Роспатент, 8 ноября 2013 г.

16. Свид-во об офиц. рег. прогр. для ЭВММ 2013619937. Моделирование влияния цикличности солнечной активности на урожайность сортов яровой пшеницы в условиях подгайги Восточной Сибири (ИВЦ КрасГАУ № 28) / Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н. и др. - М: Роспатент, 21 октября 2013 г.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г.

Подписано в печать 22.11.2013 Формат 60x84/16 Бумага тип. № 1.

Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 874 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Никулочкина, Светлана Николаевна, Красноярск

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

Красноярский государственный аграрный университет

_________, На правах рукописи

I I п г* н ч ^ / и

Никулочкина Светлана Николаевна

Формирование продуктивности яровой пшеницы в природно-экологических циклах территорий Красноярского края

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: чл.-корр. РАСХН доктор технических наук, профессор Цугленок Н.В.

Красноярск 2013

Оглавление

Введение 5

Глава 1. Анализ теоретических положений и опытных данных госсортоучастков по оценке колебаний продуктивности яровой пшеницы...................................................... 12

1.1. Теоретический обзор цикличности продукционного процесса в аг-роэкологических системах................................................... 12

1.2. Предлагаемая геоинформационная оценка резистентности сортов яровой пшеницы................................................................ 39

1.3. Предлагаемая геоинформационная оценка урожайности сортов яровой пшеницы................................................................ 54

1.4. Анализ устойчивости циклов продуктивности яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности....................................... 68

Глава 2. Моделирование и прогнозирование продуктивности яровой пшеницы на госсортоучастках в циклах солнечной активности.............................................................. 82

2.1. Концепция моделирования продуктивности яровой пшеницы по временной и пространственной структурам.............................. 82

2.2. Модель сопряжения циклов солнечной активности с циклами продуктивности яровой пшеницы................................................ 83

2.3. Модель динамики урожайности и основных показателей сортов яровой пшеницы................................................................ 86

Глава 3. Методика исследований циклов продуктивности яровой пшеницы на опытных данных госсортоучастков Красноярского края...................................................

3.1. Обоснование влияния циклов солнечной активности на колебания продуктивности яровой пшеницы........................................... 91

3.2. Методика определения циклов развития болезней яровой пшеницы........................................................................... 93

3.3 Методика определения циклов продуктивности и урожайности

сортов яровой пшеницы....................................................... 98

Глава 4. Проектирование сортооборота яровой пшеницы по временной и пространственной структурам....................... 112

4.1. Взаимосвязь солнечной активности и декомпенсационного эффекта сортооборота яровой пшеницы....................................................................................112

4.2. Проект сортооборота яровой пшеницы в лесостепных зонах................134

4.3. Проект сортооборота яровой пшеницы в степных зонах..........................146

Глава 5. Эколого-экономическая эффективность сортооборота яровой пшеницы для зернового комплекса Красноярского края.................................................. 157

5.1. Эколого-экономический механизм регулирования сортооборота

яровой пшеницы по сортоучасткам и временным периодам......... 157

з

5.2. Эколого-экономическая эффективность проекта сортооборота яровой пшеницы в лесостепных зонах......................................................................158

5.3. Эколого-экономическая эффективность проекта сортооборота яровой пшеницы в степных зонах..................................................................................161

Общие выводы..................................................................................................................................................165

Практические рекомендации............................................................................................................167

Список литературы....................................................................................................................................168

Приложение..........................................................................................................................................................188

Введение

Актуальность темы. В России особенно велика роль Сибирского федерального округа, включающего территорию Красноярского края с масштабными природно-климатическими и экологическими ресурсами для земледелия. Природный потенциал Восточной Сибири расположен к производству высококачественной продукции из различных хлебных злаков ценных и сильных сортов. Выход сельского хозяйства региона на устойчивые позиции по производству и сбыту продовольственного и фуражного зерна связан с применением комплекса средств интенсивного земледелия при возделывании яровой пшеницы, озимой ржи, ячменя и овса, важными составляющими которого являются механизмы ротации культур и сортов (севооборот и сортооборот), а также замена неэффективных сортов на интенсивные (сортосмена).

Сорт яровой пшеницы - основа производства хлебобулочной продукции в АПК Красноярского края. Значительный удельный вес зерна яровой пшеницы обеспечивает продовольственную независимость края.

В системных экологических исследованиях Н.И. Вавилов (1926) пришел к выводу, что важным резервом повышения продуктивности яровой пшеницы является наиболее полная реализация потенциальной урожайности сортов в условиях конкретной природно-экологической зоны, причём вклад сорта в рост урожайности составляет до 25 % [21-23]. Для производства сортов яровой пшеницы характерен, так называемый, декомпенсационный эффект, установленный Ю.Л. Раунером (1981), суть которого в том, что снижение валовых сборов в неблагоприятный по солнечной активности год, по абсолютной величине больше прибавки урожая в благоприятный год [57, 127].

По оценкам С.С. Бакая (1984), Д.Д Брежнева (1973), Г.А. Демиденко (2007), B.C. Шевелухи (1992) и В.В. Шевелухи (1975) за счёт выбора оптимальных сортов приращение урожайности может достигать 35 - 40 % [7, 16, 62, 171]. Опыты Н.Г. Ведрова (1984), Ю.Ф Едимеичева (1986), В.К. Ивченко (1998), В.И. Никитиной (1983), И.А. Редкозубова (2000), Н.В. Скляднева (1969),

H.A. Сурина (1987), A.H. Халипского (2003) выявили тенденцию селекционного прогресса хлебных злаков к повышению урожая на 50-60 % [26, 71, 114, 132, 150, 152, 159]. Исследования A.A. Жученко (1988), Ю.А. Овсянникова (1999) показали, что урожайность на ГСУ превышает урожайность на полях сельскохозяйственных организаций в 1,4 - 2,8 раза [77, 117]. В работах В.А. Драгавце-ва (2000), М.А. Кадырова (1984), В.И. Кирюшина (1996), показано, что потенциал высокопродуктивных сортов используется в АПК недостаточно - на 30-50 % [65, 82, 85].

Исследования М.И. Дементьевой (1977), А.Г. Дояренко (1966), В.Ф. Пе-ресыпкина (1989), В.Б. Чернышева (1994), В.А. Чулкиной (1979), А.Е. Чумакова (1973) по разработке научных основ интегрированной защиты растений хлебных злаков к восприятию септориоза и других болезней показывают, что эффективное планирование и реализация фитосанитарных мероприятий позволяет использовать потенциал сортов яровой пшеницы до 75 % и выше [61, 64, 121, 164, 168, 169].

Различные аспекты функционирования биосферы под влиянием солнечной активности в эколого-временной структуре рассматривали F.O. Beese (1995), B.L. Berry (1998), R.C. Carrington (1863), M. Dragan-Buolarda (1995), N. Milosevic (1997), M. Raymo (1992), M. Stuiver (1995) и другие зарубежные учёные и специалисты [186-194].

В общем, современные научные источники сходятся в том, что принятая система земледелия не в полной мере учитывает временную и пространственную структуры при подборе сортов, проявляющих адаптационный потенциал и в совокупности создающих декомпенсационный эффект. Поэтому в группу возделываемых сортов яровой пшеницы должны быть включены сорта с оптимальным декомпенсационным эффектом. Принцип декомпенсационности определяет перспективу моделирования и последующего формирования оптимальной схемы ротации сортов (сортооборота) яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности.

Поэтому с целью получения высоких урожаев качественного продовольственного зерна, адаптированного к природно-экологическим циклам, в том числе к колебаниям продолжительности вегетационного периода, необходимо формирование сортооборота яровой пшеницы. Подбор и ротация сортов яровой пшеницы по продолжительности вегетационного периода - это экономичный, экологически обоснованный путь, способствующий повышению устойчивости урожайности зерновой культуры и как следствие, валового сбора ценного зерна. Для успешной оценки продолжительности вегетационного периода и продуктивности яровой пшеницы необходимо выявить закономерности изменений и характер колебаний урожайности её сортов в конкретных агроэкологических зонах, что позволит объяснить механизмы действия лимитирующих факторов, т.е. выявить заложенный в них продуктивный потенциал. Согласно исследованиям Н.В. Цугленка, В.К. Ивченко и С.Н. Никулочкиной (2012), при подборе сортов, проявляющих адаптационный потенциал существенное значение имеют природно-экологические циклы в агробиогеоценозах [197, 200]. Поэтому изучение влияния цикличности солнечной активности на формирование агроэко-логической системы и продукционного процесса на территориях Красноярского края является перспективным направлением. Следовательно, решение задач, связанных с проблемой декомпенсационного эффекта посредством сортооборота яровой пшеницы внесёт существенный научный и практический вклад в проблему рентабельного развития зернового комплекса Красноярского края.

Цель исследования. Исследовать процессы формирования продуктивности яровой пшеницы для получения высоких и устойчивых урожаев в природ-но-экологических циклах лесостепных и степных зон Красноярского края.

Задачи исследования:

1. Обзор теоретических положений и систематизировать опытные данные по колебаниям продуктивности яровой пшеницы и урожайности её сортов на госсортоучастках (ГСУ) Красноярского края за период 2000-2011 гг.

2. Разработать аналитические модели продуктивности яровой пшеницы на

ГСУ Красноярского края, позволяющие, прогнозировать урожайность сортов яровой пшеницы в циклах солнечной активности.

3. Создать методику исследований циклов продуктивности яровой пшеницы с применением моделей для определения смены состояний продукционного процесса по развитию болезни растений и колебаниям урожайности сортов во времени и пространстве.

4. Раскрыть экологический механизм ротации сортов (сортооборот) яровой пшеницы с учётом влияния цикличности инсоляции на урожайность её сортов для повышения устойчивости продукционного процесса, спроектировать оптимальные сортообороты на ГСУ лесостепных и степных зон для повышения валового сбора зерна яровой пшеницы.

5. Определить эколого-экономическую эффективность проектов сортооборота яровой пшеницы на территориях Красноярского края.

Защищаемые положения

1. Цикличность солнечной активности и сопряжение временных и пространственных факторов определяет квазипериодический характер колебаний урожайности и основных показателей сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края.

2. Точность краткосрочного прогноза урожайности яровой пшеницы по моделям влияния цикличности инсоляции характеризуется возможностью определения устойчивых собственных циклов её сортов при долгосрочном прогнозе.

3. Устойчивость продукционного процесса обеспечивается декомпенсацион-ным эффектом, создаваемым механизмом ротации сортов (сортооборотом) яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности. Повышение валового сбора зерна яровой пшеницы достигается применением проектов сортооборота (разработанных по данным ГСУ) в сельскохозяйственных районах Красноярского края.

Объект исследования. Сорта яровой пшеницы, испытанные на ГСУ Красноярского края в 2000-2011 гг.

Предмет исследования. Закономерности и зависимость урожайности сортов яровой пшеницы от цикличности инсоляции во временной и пространственной структурах земледельческой части Красноярского края.

Объект наблюдения. Динамика урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах на примере 16 ГСУ Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва.

Область исследования. Соответствует Паспорту номенклатуры специальностей научных работников 03.02.08 - Экология (биология): «Прикладная экология - разработка принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы, как на видовом, так и экосистемном уровне; разработка принципов создания искусственных экосистем (агроэкосистемы, объекты аквакуль-туры и т.п.) и управления их функционированием. Исследование влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу».

Методы исследования Системный экологический анализ с применением принципа Раунера декомпенсационного эффекта и правила Гневышева - Оля объединения полупериодов инсоляции, методы агроэкологической теории, гармонический анализ. Использован пакет компьютерной математики Maple.

Научная новизна исследования. Дополнены положения агроэкологической теории по прогнозированию продуктивности сортов яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности, выявлены циклы урожайности сортов яровой пшеницы по географическому расположению ГСУ. Предложены аналитические модели продуктивности яровой пшеницы, объясняющие изменчивость продукционного процесса в лесостепных и степных зонах Красноярского края, как устойчивого системного процесса сопряжения временной и пространственной структур. Разработан и обоснован механизм ротации сортов яровой пшени-

цы, программы для ЭВМ, позволяющие проектировать сортообороты в условиях лесостепных и степных зон Красноярского края с учётом прогнозных значений и колебаний продукционного процесса.

Практическая значимость исследования. Разработаны проекты по сор-тообороту яровой пшеницы в лесостепной и степной зонах Красноярского края и предложена система мероприятий по повышению её продуктивности на Су-хобузимском и Новосёловском ГСУ. Предложенная система сортооборота позволяет повысить валовые сборы яровой пшеницы в условиях Красноярского края. Основные результаты приняты к использованию филиалом ФГБУ «Гос-сорткомиссия» по Красноярскому краю, Республике Хакасия, Республике Тыва.

Работа выполнена в рамках тематического плана-задания на выполнение научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО КрасГАУ по заказу Минсельхо-за России за счёт средств федерального бюджета на 2013 год: «Аналитический мониторинг агроэкологического зонирования земель Восточной Сибири на примере Красноярского края».

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований представлялись и обсуждались на научных конференциях различного уровня, в том числе: Международная научно-практическая конференция «Ва-виловские чтения - 2011», Саратов, 2011; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы инновационной агроэко-номики», Саратов, 2011; Всероссийская очно-заочная научно-практическая и научно-методическая конференция с международным участием «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития», Красноярск, 2011, 2012; Региональная научная конференция «Аграрная наука - на рубеже веков», Красноярск, 2008. Основные теоретические методы и алгоритмы расчетов систематически докладывались на заседаниях научно-методического семинара НИИ Аналитического мониторинга и моделирования при ФГБОУ ВПО КрасГАУ «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов в АПК», Красноярск, 2010, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 10 работ в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ [195-220]. По мате-

с

риалам исследований получено пять свидетельств ФГУП «Информрегистр», в том числе на четыре электронных монографии, одну методическую рекомендацию (№ 27138, 27285, 33088, 33089, 33090); шесть свидетельств Роспатента на программы для ЭВМ (№ 2012617406, 2013612147, 2013613735, 2013618647, 2013619937, 2013660524) и 8 актов внедрения результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений, списка литературы и приложения. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 21 таблицу. Список литературы из 220 наименований включает 9 источников на английском языке. Приложение на 6 страницах.

Личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены исследования, по изучению динамики урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах на примере 16 ГСУ Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва, проведённые автором с 2007 по 2013 г. Выявлены закономерности и зависимость урожайности сортов яровой пшеницы от цикличности солнечной активности во временной и пространственной структурах земледельческой части Красноярского края. Модели и методика исследований продуктивности яровой пшеницы, определение декомпенсационного эффекта в природно-экологических циклах, проекты формирования сортооборота для лесостепных и степных зон Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва, а также научные выводы впервые предложены автором.

Благодарности. Выражаю благодарность д.т.н., профессору, чл.-корр. РАСХН Н.В. Цугленку, д.с.-х.н., профессору В.К. Ивчен