Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оптимизация структуры посевных площадей на биоэнергетической основе для хозяйств северной лесостепи Западной Сибири

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Селюкова, Галина Петровна, Тюмень

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

УДК 631.112:631.55:9

СЕЛЮКОВА Галина Петровна

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПОСЕВНЫХ ПЛОЩАДЕЙ НА БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ХОЗЯЙСТВ СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

(Специальность 06.01.01 - общее земледелие)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Н.В. Абрамов

Тюмень - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА.....................8

2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ..............................26

2.1. Почвенно-климатические условия северной лесостепи Тюменской области.......................................26

2.2. Методика исследований и схема опыта.......................29

3. АНАЛИЗ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ.......33

3.1. Энергопотенциал севооборотов и бессменных посевов по

ФАР...................................................35

3.2. Энергетический потенциал почвы и его изменение..............41

3.3. Антропогенная энергия при возделывании сельскохозяйственных культур...............................47

3.3.1. Структура антропогенной энергии по отдельным технологическим операциям при возделывании сельскохозяйственных культур.............................48

3.3.2. Антропогенная энергия при возделывании зерновых

и зернобобовых культур..................................58

3.3.3. Антропогенная энергия при возделывании кормовых

культур................................................63

3.3.4. Антропогенная энергия при возделывании сельскохозяйственных культур в севооборотах и

бессменных посевах.....................................68

4. ПРОДУКТИВНОСТЬ АГРОЭКОСИСТЕМ.....................79

4.1. Потенциальная продуктивность севооборотов..................79

4.2. Фактическая продуктивность севооборотов и

бессменных посевов......................................82

4.2.1. Урожайность сельскохозяйственных культур.................82

4.2.2. Продуктивность севооборотов и бессменных посевов..........95

5. ОЦЕНКА СЕВООБОРОТОВ НА БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ................................................106

5.1.Экономическая оценка севооборотов.........................106

5.2. Биоэнергетическая оценка севооборотов.....................108

5.3. Производительность агроэкосистемы........................110

6. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПОСЕВНЫХ

ПЛОЩАДЕЙ НА БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ..........115

6.1. Экономико-математическая модель оптимизации структуры посевных площадей......................................115

6.2. Анализ результатов решения модели........................117

ВЫВОДЫ..................................................127

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ...........................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................132

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................153

ВВЕДЕНИЕ

Научно обоснованное размещение сельскохозяйственных культур по поч-венно-климатическим зонам страны является важнейшим фактором повышения эффективности использования плодородия, увеличения продуктивности и снижения затрат на ее производство. Рациональное размещение сельскохозяйственных культур, введение научно обоснованной структуры посевных площадей сами по себе являются энергосберегающими приемами, не требующими дополнительных вложений. При этом хозяйственная эффективность достигается за счет более полного использования биоклиматического потенциала земельных ресурсов. Определение эффективности той или иной культуры по сравнению с другими усложняется в силу как значительных колебаний урожайности, так и разнокачественности хозяйственно-ценной продукции культур, задача часто усугубляется причиной несоизмеримости данных показателей.

Объективный анализ эффективности сельскохозяйственного производства возможен тогда, когда изыскание путей снижения затрат на единицу продукции и оценка земли будут производиться в тех же единицах, что и общественно необходимые затраты труда и средств производства. Подобная оценка возможна при использовании системно-энергетического подхода (В.Р. Волобуев, 1979; Г.А. Булаткин, 1986 а,б, 1990; В.В. Коринец, 1988,1990 а,б; В.М. Володин, 1992 а,б; А.Ф. Неклюдов и др., 1993). Такой подход дает возможность количественно определить энергетические затраты и степень их окупаемости при производстве продукции растениеводства, сравнить агрофитоценозы по расходу затраченной энергии на единицу общей и товарной продукции при различных севооборотах, структуре посевных площадей, технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. Использование биоэнергетической оценки позволяет измерить в сопоставимых единицах затраты живого и прошлого труда, ресурсов, выявить статьи расхода невосполнимой энергии и найти пути ее снижения. Она не зависит от политики цен, а только от объективных естественных свойств производ-

ственных ресурсов и продукции. Учеными высказывается предположение о возможности решения более общей задачи - создания научных основ применения энергетических оценок в определении уровня развития научно-технического прогресса.

Реорганизация крупных сельскохозяйственных предприятий и появление большого количества мелких фермерских хозяйств требует пересмотра структуры посевных площадей. Оптимизировать структуру посевных площадей необходимо на основе системно-энергетического подхода.

В связи с этим целью нашей работы является оптимизация структуры посевных площадей на биоэнергетической основе.

В задачи исследования входят:

- изучение энергопотенциала агроэкосистем на уровне полей и севооборотов;

- расчет затрат антропогенной энергии и анализ их структуры;

- оценка фактической и потенциальной продуктивности отдельных культур и севооборотов с различным насыщением зерновыми и зернобобовыми культурами;

- экономическая и биоэнергетическая оценки севооборотов;

- разработка модели оптимизации структуры посевных площадей на биоэнергетической основе и анализ ее решения.

Научная новизна. Обоснован системно-энергетический подход при оценке севооборотов, оптимизации структуры посевных площадей и энергетических потоков агроэкосистемы для эффективного использования пахотных земель в хозяйствах различных форм собственности. Детально проанализирована структура антропогенных энергозатрат на возделывание сельскохозяйственных культур. Определена потенциальная продуктивность севооборотов. Выявлена роль предшественников и севооборотов на использование природного потенциала. Дана экономическая и биоэнергетическая оценка севооборотов. Оценена производительность агроэкосистем. Разработана экономико-математическая модель

оптимизации структуры посевных площадей для хозяйств различных форм собственности.

Практическая ценность результатов исследований.

Разработанная модель позволяет определить оптимальную структуру посевных площадей для товаропроизводителя с учетом его потребностей и наличия ресурсов.

Проведение энергетического анализа позволяет объективно оценить энергетический потенциал агроэкосистем и целесообразность использования антропогенной энергии при возделывании сельскохозяйственных культур.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке агро-ландшафтного земледелия и в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации были использованы автором в докладах на научно-практических конференциях в Тюмени (1997), Кургане (1998) и Екатеринбурге (1998); на областных и районных агрономических семинарах и совещаниях. Получена положительная оценка на Ученом совете агрономического факультета ТГСХА. Опубликовано 4 научных работы и 5 находится в печати.

Аннотация работы. В основу настоящей работы положены результаты

^ гтп

стационарных опытов, заложенных на черноземах северной лесостепи 1юмен-ской области.

Севообороты изучались во времени и пространстве; шестипольные севообороты прошли две ротации.

Работа выполнялась в соответствии с государственным тематическим планом научно-исследовательских работ, шифр: 01.02.01.Н:0.51.01 "Разработать и внедрить зональные системы земледелия, обеспечивающие повышение продуктивности и охрану сельскохозяйственных угодий, более эффективное использование почвенно-климатических ресурсов и средств интенсификации земледелия" и региональной научно-технической программой формирования и развития продовольственного сектора Тюменской области на 1997-2000 гг. по те-

ме: "Моделирование и оценка плодородия почв в современных агроландшаф-тах".

Основные положения диссертации, выносимые на защиту .

• Анализ потоков энергии в агроэкосистеме.

• Экономико-математическая модель оптимизации структуры посевных площадей на биоэнергетической основе.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, предложений производству, списка литературы и 66 приложений. Текстовая часть изложена на 152 страницах и содержит 40 таблиц, 23 рисунка. Список литературы включает 239 наименований, из них 13 на иностранных языках.

Выражаю искреннюю признательность и глубокую благодарность научному руководителю профессору Н. В. Абрамову; профессорам В. А. Федоткину и А. Ф. Неклюдову, предоставившим материалы научных исследований и высказавшим конструктивные замечания; кандидатам с.-х. наук Г. Д. Притчиной, Н. М. Сулимовой, В. П. Колмакову, доцентам Г. М. Туровинину, С. А. Солома-щенко, Л. Ф. Журавлевой, Л.Н. Бариновой за консультации при выполнении и написании работы; сотрудникам и студентам агрономического факультета, принимавшим участие в сборе материала, использованного в данной работе.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА

Центральным звеном любой системы земледелия является севооборот. По широте и разнообразию действия на почву и растения среди агрономических мероприятий севооборот не имеет себе равных. Влияние его распространяется на все стороны жизни растений и на динамику процессов в почве (В.Г. Лошаков, 1976; С.А. Воробьев, Д.И. Буров, A.M. Туликов, 1977; В.В. Бузмаков, A.C. Наволоцкий, 1978; В.П. Нарциссов, 1982). Д.Н. Прянишников (1963) в своих работах отмечал, что большое многообразие природно-экономических и климатических условий требует введения соответствующих им схем севооборотов.

Первые опыты по изучению севооборотов в Западной Сибири были проведены агрономами Осипом Обуховым и Петром Щербаковым на созданном в 1828 г. войсковом опытном хуторе при сибирском линейном казачьем войске. На опытном хуторе впервые в Сибири был введен трехпольный севооборот (A.B. Вараксин, Л.В. Катин-Ярцев, 1986; П.Л. Гончаров, 1995). Крупный вклад в изучение севооборотов и постановку опытного дела внес коллектив Омского опытного поля, когда им руководил Л.А. Сладков. В то время здесь изучали различные предшественники под зерновые культуры. Первые данные опытных полей показали, что сибирские почвенные и климатические условия позволяют получать высокие урожаи. Была доказана высокая эффективность паров под зерновые культуры (А.Ф. Неклюдов, 1989; П.Л. Гончаров, 1995).

К началу интенсивного ведения сельского хозяйства в Западной Сибири можно отнести 60-е годы текущего столетия. Этот период знаменуется завершением освоения целинных и залежных земель и повсеместным внедрением пропашной системы земледелия. Во второй половине XX в. наукой было доказано, что при интенсификации земледелия возможна специализация севооборотов, то есть насыщение их ведущими культурами. Меры интенсификации земледелия (химизация, механизация и др.) и применение высокой агротехники культур позволяют расширить состав предшественников (С.А. Воробьев, 1979;

И.И. Синягин, Н.Я. Кузнецов, 1979; С.С. Сдобников, Т.М. Салова, JI.E. Гордюк, 1987; Н.Л. Романова и др., 1991; H.-J. Liste, 1991). Обстоятельная оценка предшественников и в целом продуктивности севооборотов в условиях Западной Сибири дана в работах В.А. Юферова (1970), И.Д. Константинова (1974 а,б), И.С. Хомякова (1976), А.Ф. Неклюдова (1980, 1990), Г.Я. Стецова (1982), Н.В. Абрамова (1983, 1992), Л.Н. Хохлова, Л.Е. Примакова и Л.А. Соколовой (1984).

Г.П. Гамзиков (1981), А.Е. Кочергин, Г.А. Рущик и А.Т. Волощук (1983), Е.Г. Чагина, Ю.И. Берхин и Н.В. Хацевич (1986), Ю.И. Слабко, Т.Н. Володина (1988), Ю.И. Ермохин, A.C. Миссаль и С.П. Теслин (1988), А.Ф. Неклюдов (1990), В.Г. Минеев (1990), W. Matzel, L. Heinrich, (1990), А.Я. Жежер, Г.И. Ефимова (1991), Н.В. Абрамов (1992) и другие отмечают в своих работах, что удобрения более рационально можно использовать только в севооборотах. Минеральные удобрения усиливают минерализацию органического вещества почвы. Несбалансированность элементов питания приводит к их потере. Наиболее подвижен в почве азот нитратной формы. Особенно вызывает опасность миграция азота в зонах достаточного увлажнения с периодически промывным типом водного режима, который характерен для северной лесостепи Западной Сибири (H.A. Иванов, Л.Б. Каренгина, 1985; В.И. Кирюшин, Г.И. Ткаченко, 1986; В.В. Чупрова, 1989; Д.А. Кореньков, 1991). В целях рационального использования нитратов, предотвращения загрязнения ими грунтовых вод многими авторами предлагается повысить эффективность использования почв путем введения занятых сидеральных паров в севообороты вместо чистых и увеличение площадей под промежуточными культурами (З.К. Благовещенская, Т.А. Тришина, 1987;

\ С.С. Сдобников, 1989; A.B. Егоров, С.Г. Гиззатуллин, 1990; H.H. Janzen et al, 1990; J. Jung et al., 1990; П.И. Кузнецов, 1991; В.Г. Лошаков, 1991; Г.А. Путинская и др., 1994). Исследованиями показано, что один из перспективных способов предотвращения миграции нитратного азота из агроландшафтов с поверхностным и внутрипочвенным водным стоком - внесение в почву соломы зерновых культур. Внесение соломы позволяет обеспечить положительный баланс

гумуса при возделывании сельскохозяйственных культур. Кроме того, это -энергосберегающий технологический прием, так как уборка и транспортировка соломы чрезвычайно энергоемки (Г.И. Иванец, 1985; М.Т. Куприченков, Ю.В. Копейкин, Т.Н. Антонова, 1986; Ю.В. Буденный и др., 1990; А.Л. Иванов, А.Т. Волощук, 1996; N. Bragagnolo, I. Mielniczuk, 1990; Н.Р. Collins, L.F. Elliott, 1990; H.E. Fraytag, 1990; H. Bernhardt, 1991; H. Christoph, О. Bosse, R. Otto, 1991).

Многие авторы считают, что с помощью севооборотов можно и необходимо улучшить плодородие почв за счет внесения органических удобрений 5-10 т/га; запахивания органических остатков возделываемых культур с особой ставкой на многолетние травы, так как за 2 года при урожайности их 10-12 т/га сена в почву поступает около 15т растительной массы, богатой NPK, а при коэффициенте гумификации 0.2 это дает около 3 т/га гумуса (Б.Н. Саласин, 1989; В.П. Казанцев, 1991; К.И. Саранин, В.Н. Федорищев, Е.К. Саранин, 1991; В.Г. Лошаков, 1992; Р.Ф. Хасанов, 1994; С. de Lassus, 1990; G. Nowak, J. Nowak, 1990). По мнению А.П. Щербакова и В.М. Володина, наиболее действенный фактор повышения урожайности культур - удобрения - необходимо рассматривать как средство регулирования не только пищевого режима, но прежде всего интенсивности и объема малого биологического круговорота вещества и потоков энергии в агроэкосистеме, нарушаемого отчуждением из нее вещества и энергии с урожаем (А.П. Щербаков, В.М. Володин, 1991; В.М. Володин, 1992 а,б).

Во многих работах показано влияние севооборотов на агрофизические свойства почвы. Водный режим черноземных почв в южной лесостепной части Сибири изучался М.З. Журавлевым (1951, 1973), И.Д. Константиновым (1974 а,б), A.M. Ситниковым (1971, 1979), В.Г. Холмовым (1984, 1990). Н.В. Абрамовым (1983, 1992) показано использование черного пара как влагонакопительно-го приема особенно в засушливые годы. Влагообеспеченность зерновых культур является достаточной после однолетних трав и кукурузы. Влага расходуется экономно в севооборотах с насыщением зерновыми до 67%, дальнейшее повышение насыщения зерновыми культурами ведет к увеличению расхода влаги.

Исследованиями С.А.Воробьева и А.Ф. Сафонова (1976), А.Ф.Неклюдова (1980), Н.В. Абрамова и A.M. Ситникова (1992) показано увеличение расхода влаги в бессменных посевах по сравнению с севооборотами, что объясняется авторами слабым развитием растений и меньшим затенением почвы, способствующим увеличению непродуктивного испарения.

Сельскохозяйственные культуры имеют наилучшие условия для роста и развития при оптимальной плотности почвы. Изучением оптимальной плотности различных типов почв в Западной Сибири посвящены работы С.С. Сдобни-кова, В.И. Беспамятного (1970), A.M. Ситникова (1980), В.И. Слесарева (1983), JI.B. Юшкевича (1984), В.Ф. Трушина и Э.Ф. Крылова (1990), Н.В. Абрамова (1992). Установлено, что в условиях Западной Сибири и в частности северной лесостепи Тюменской области оптимальную плотность слоя 0-30 см чернозема выщелоченного для яровой пшеницы - 1.01-1.17 г/см3 и ячменя - 1.20-1.27 г/см3. Показано, что в процессе вегетации различных сельскохозяйственных растений происходит уплотнение почвы, наиболее интенсивное под посевами пшеницы, а наименее - под посевами клевера.

Важным показателем окультуренности почвы является ее структурный состав (H.A. Качинский, 1963). Среди биологических факторов, обеспечивающих формирование комковатой структуры почвы в севообороте, существенная роль принадлежит культурам. Исследования Н.В.Абрамова (1992) показали, что многолетние травы, бл