Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в пределах склоновых лесостепных агроландшафтов ЦЧЗ России

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в пределах склоновых лесостепных агроландшафтов ЦЧЗ России"

На правах рукописи

МИХАИЛЕНКО Ирина Ивановна

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ПЛАСТИЧНОСТИ РЕГИОНАЛЬНО ДОМИНИРУЮЩИХ ВНУТРИВИДОВЫХ ВАРИАНТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В ПРЕДЕЛАХ СКЛОНОВЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ ЦЧЗ РОССИИ

03.02.08. - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 2 АПР 2015

005567633

Москва, 2015

005567633

Работа выполнена в ФБГНУ «Белгородский научно-исследовательский институт сельского хозяйства»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Смирнова Лидия Григорьевна,

доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией адаптивного растениеводства и агроэкологии ФГБНУ «Белгородский НИИСХ» Девятова Татьяна Анатольевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой экологии и земельных ресурсов ФГБОУ ВГТО «Воронежский государственный университет»

Оснпова Людмила Владимировна,

доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории потенциальной продуктивности и физиологии минерального питания ФГБНУ«Всероссийский научно-

исследовательский институт агрохимии имени Д.Н.Прянишникова»

Ведущее предприятие:

ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет»

Защита состоится «26» мая 2015 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, тел. / факс 8 (499) 976-21-84, e-mail: dissovct@iiniacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ФГБОУ ВО «РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева» и на сайте университета http://4vww.tirnacad.ru/

Автореферат разослан « % » апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.В. Селицкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одной из наиболее актуальных проблем современной экологии является агроэкологическая оптимизация структуры землепользования, набора выращиваемых в условиях конкретных агроэкосистем культур и сортов, применяемых агротехнологий - нацеленная на минимизацию экологических рисков в условиях эффективного ведения хозяйства.

В юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России более половины пахотных земель расположено на склонах различной крутизны [Экологические основы, 2006; Соловиченко, 2013]. Размещение полевых агроэкосистем в условиях склоновых агроландшафтов, как правило, ведет к снижению их продуктивности, вследствие неблагоприятных экологических условий и высокой эродированности почв. В связи с этим для улучшения плодородия почв возникает необходимость внесения повышенных доз органических и минеральных удобрений. Однако такой подход отнюдь не всегда обеспечивает экологическое равновесие в агроландшафтах [Смирнова, 2006; 2014]. На почвах склоновых агроэкосистем устойчивое повышение продуктивности достигается, прежде всего, за счет интенсификации биологических факторов и умеренного применения удобрений, что уменьшает степень риска их смыва и загрязнения водных объектов [Кирюшин, 1996; Каштанов, Явтушенко, 1997; Савич, 2002; Турусов, 2012]. Важнейшим направлением биологизации земледелия является целенаправленный отбор экологически пластичных внутривидовых вариантов озимой пшеницы, адаптированных к различным орографическим условиям агроландшафтов.

Подбор среди регионально доминирующих внутривидовых вариантов культур наиболее агроэкологически адаптированных к условиям представительных агроландшафтов позволяет увеличить устойчивую продуктивность агроэкосистем с качественным уменьшением антропогенной нагрузки на их базовые компоненты.

Целью работы является проведение комплексных агроэкологических исследований с оценкой экологической пластичности регионально доминирующих

внутривидовых вариантов озимой пшеницы в пределах основных форм мезорельефа представительных полевых агроэкосистем юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны (ЦЧЗ) России.

В задачи исследований входило:

1. Провести комплексную оценку экологических факторов, доминирующих в склоновых агроландшафтах (с разными формами мезорельефа) юга Среднерусской возвышенности.

2. Выявить лимитирующие экологические факторы, определяющие урожайность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в условиях типичных склоновых агроландшафтов юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России.

3. Выявить влияние орографических экологических условий на изменение морфометрических показателей регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в условиях представительных агроэкосистем юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России.

4. Определить экологическую пластичность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи в зависимости от орографических и климатических экологических условий юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России.

Предметом исследования является экологическая пластичность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в условиях представительных плакорных и склоновых агроэкосистем, с учетом регионально-типологических особенностей их базовых компонентов (почв, рельефа, почвооб-разующих пород).

При проведении работы были использованы полевые, профильно-геоморфологические, картографические, лабораторные и математические методы исследования.

Научная новизна. Впервые для юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России на основе эколого-ландшафтного подхода проведена системная оценка экологической пластичности регионально домини-

рующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в пределах основных форм мезорельефа. Установлено, что применение удобрений не является основным лимитирующим экологическим фактором в повышении продуктивности озимой пшеницы в условиях исследуемых склоновых агроэкосистем. Определены адаптивные изменения экоморфологических и морфометрических показателей внутривидовых вариантов озимой пшеницы в склоновых агроэкосистемах ЦЧЗ. При оценке экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи творчески использован информативный биометрический показатель — устьичный коэффициент.

Практическая значимость работы. Полученные в результате проведенных исследований данные качественно дополняют и систематизируют районированную информацию об экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи и фактору мезорельефа в условиях типичных склоновых агроландшафтов юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России. Регионально систематизированные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для совершенствования нормативной базы, используемой при разработке, корректировке, экологической экспертизе и агроэкологиче-ском аудите профильных разделов адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

Личный вклад автора. Полевые и экспериментальные работы были выполнены автором лично или при непосредственном участии в составе лаборатории адаптивного растениеводства и агроэкологии ГНУ Белгородский НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии в период с 2009 по 2014 гг. Статистическая обработка данных, их интерпретация произведены автором, также им предложен и рассчитан устьичный коэффициент в качестве дополнительного параметра оценки экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи в определенный период онтогенеза.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на Ученом Совете ФГБНУ «Белгородский НИИСХ», доложены на Международной научно-

практической конференции «Эрозия почв: Проблемы и пути повышения эффективности растениеводства» (Ульяновск, 2009); на XXI ежегодной Международной научной конференции студентов и аспирантов, посвященной памяти профессора Г.П. Дубинского (Харьков, 2012); на Международной научной конференции «Проблемы и перспективы инновационного развития агроинженерии, энергоэффективности и IT-технологий» (Белгород, 2014); на Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2014); на научно-практической конференции Курского отделения МОО «Общество почвоведов им. В.В. Докучаева» «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия» (Курск, 2014).

Публикации, По материалам диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах, включает введение, 5 глав, выводы, список используемой литературы, приложения, содержит 22 таблицы, 14 рисунков. Список использованной литературы состоит из 158 наименований, 15 из которых являются иностранными источниками.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В условиях представительных склоновых агроэкосистем применение удобрений не является основным лимитирующим экологическим фактором в устойчивом повышении продуктивности озимой пшеницы.

2. Экоморфологические и морфометрические параметры регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в агроэкосистеме выступают наиболее значимыми показателями их экологической пластичности к стресс-фактору засухи и фактору мезорельефа в условиях типичных склоновых агроэкосистем юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору биологических наук, профессору Смирновой Л.Г. за постоянное внимание к работе, ценные консультации и рекомендации, помощь в

проведении работы. Автор выражает благодарность всем сотрудникам лаборатории адаптивного растениеводства и агроэкологии ФГБНУ «Белгородский НИ-ИСХ» за помощь в полевых работах и лабораторных исследованиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Влияние абиотических факторов среды на состояние агроэкосистем (обзор литературы)

В главе приводится литературный обзор по характеристике абиотических факторов среды и выделению в соответствии с ними экологических групп культурных растений, по влиянию орографических условий на агроэкосистемы [Туманов, 1979; Амирджанов, 1980; Рейва, 1990; Каштанов, Явтушенко, 1997; Васе-нев, 1998; Савич, 2002; Медведев, 2004; Глазко, 2006; Чернова, 2007; Герасименко, 2009; Ионова, 2010; Кирюшин, 2011]; по изучению адаптивной способности растений в агроэкосистемах к стрессовым условиям [Алексеев, 1948: Кравцов, 1957; Воскресенская, 1965; Селье, 1972; Александров, 1975; Skriver, 1990; Bohnert, 1995; Bent, 1996; Олениченко, 2000; Шакирова, 2001; Чиркова, 2002; Иванов, 2006; Фаизов, 2007; Сариева, 2010; Головацкая, 2011; Каргин, 2011]. Рассмотрены основные методики определения параметров водного обмена листьями и степени их экологической пластичности к стресс-фактору засухи [Иванов, 1941; Еремеев, 1974; Голубова, 1977; Журавлева, 1992; Давыдов, 1999; Рыжков, 2005; Гальперин, 2010]. Выявлена значимость основных элементов питания в агроэкосистемах [Важенин, 1959; Ниловская, 1982; Rassel, 1995; Игнатов, 1998; Якименко, 2001; Медведев, 2004; Черников, 2004; Смирнова, 2007; Ерошенко, 2011].

2. Характеристика условий проведения исследований, объекты и методы

Полевые исследования проводили в юго-западной лесостепной провинции Центрально-Черноземной Зоны России с 2009 по 2013 гг. В главе описываются

краткие почвенно-орографические и агроклиматические особенности района исследования. Дается метеорологическая характеристика за период исследования.

Полевой опыт организован на основе адаптивно-ландшафтного подхода. Он расположен в пределах основных форм мезорельефа - плакора и склона южной экспозиции разной крутизны. Южная экспозиция склона выбрана в связи с отчетливо выраженной контрастностью между ландшафтными микрозонами. Для решения поставленных задач были выбраны участки склона крутизной 1-3° и 35°. При изучении изменения продуктивности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в зависимости от орографических условий полевой опыт закладывался в каждом выделенном агроландшафтном контуре. Повторность опыта шестикратная. Каждая повторность состоит из шести делянок. Общая площадь одной делянки в опыте 10 м2 (1x10м). Минеральные удобрения вносили в соответствии со схемой опыта: 1) ЖОРбОКбО, 2) без удобрений. Предшественником озимой мягкой пшеницы являлся черный пар. Технология выращивания этой культуры общепринятая. Для выявления достоверных изменений показателей применялся однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ.

Всего исследовали 6 внутривидовых вариантов (Белгородская 12, Одесская 267, Ариадна, Синтетик, Богданка, Корочанка). Стандартами являлись Белгородская 12 и Одесская 267.

Почвенный покров полевого опыта на плакоре представлен черноземом типичным среднегумусным среднемощным глинистым. Согласно агрохимической характеристике, в почвах в пахотном слое на плакоре содержание гумуса составляет 6,4%; подвижного фосфора (по Чирикову) 8,3 мг/100 г почвы; подвижного калия (по Чирикову) 11,6 мг/100 г почвы; рН солевой - 5,8; Нг - 3,43 мг-экв/ЮО г почвы. Почвы склона крутизной 1-3° представлены черноземом типичным малогумусным среднемощным слабосмытым тяжелосуглинистым, содержащем в пахотном слое 5,9% гумуса; 11,6 мг/100 г почвы подвижного фосфора (по Чирикову); 26,4 мг/100 г почвы подвижного калия (по Чирикову); рН солевой - 5,6; Нг - 3,2 мг-экв/100 г почвы. В нижней части склона крутизной 3-5° фоно-

вой почвой является чернозем типичный малогумусный маломощный средне-смытый тяжелосуглинистый, содержащий в пахотном слое 4,2% гумуса; 9,9 мг/100 г почвы подвижного фосфора (по Чирикову); 99 мг/кг подвижного калия (по Чирикову); рН солевой - 5,6; Нг - 4,1 мг-экв/100 г почвы.

Посев регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы производили в первую декаду сентября каждого года исследования. В среднем за годы исследования (2009-2013 гт.) наибольшая доля всходов отмечена у вариантов Одесская 267 (75,2%) и Синтетик (73,5%), а наименьшая - у варианта Ариадна (54,1%). Доля перезимовавших растений озимой пшеницы в среднем за 2009-2013 гг. на плакоре была максимальной у вариантов Ариадна (58,6%) и Бо-гданка (58,4%), в условиях склоновых агроэкосистем - у варианта Одесская 267 (39,1-39,8%). Минимальные значения по данному параметру наблюдались у внутривидового варианта Белгородская 12 (40,6%) на плакоре, Синтетик в условиях склоновых форм мезорельефа (28,7-29,8%).

Наблюдения за растениями проводили в течение онтогенеза от всходов до полной спелости. По известным методикам [Русин, 1990; Решецкий, 2000] определяли следующие морфометрические показатели: высота растений, площадь листовой поверхности, масса сухого вещества. Для определения экоморфологи-ческих показателей (водоудерживаюшая способность завядающих листьев, оводненность тканей листьев, водный дефицит, количество устьиц, способность восстанавливать тургор после перенесенного завядания) применяли методики, разработанные Еремеевым Г.Н. [1974] и Гончаровой Э.А.[1989].

Определение количества устьиц проводили с помощью микроскопа «Био-лам М» на нижней стороне флагового листа на участке площадью 1 см".

Определение основных элементов питания (азота, фосфора и калия) в растениях и растворимых углеводов [Лабораторный практикум..., 2010] проводили во все фазы онтогенеза.

При оценке климатических условий, в качестве величины, характеризующей степень увлажненности территории, использовался условный показатель увлажнения - гидротермический коэффициент [Селянинов, 1937; Усатов, 2012]. Он

равен отношению суммы осадков за период с температурами выше 10°С к испаряемости. Величину испаряемости условно выражали суммой температур воздуха выше 10°С, уменьшенной в 10 раз.

Расчет поправок к сумме температур >10° (Р,) на склонах различной крутизны и экспозиции проводили по формуле Карманова И.И. [Практикум по введению в агроландшафтоведение, 2003]:

14 = (УЧ > 10 • Ку ° 7)/ (75 - Ш), где УЧ > 10° - средняя многолетняя сумма температур больше 10° в плакорных условиях; у - крутизна склона в градусах; Ш — широта местности (в данной работе равна 50,63); К — коэффициент пропорциональности.

Определение запасов продуктивной влаги производили по методике, предложенной А.Ф. Вадюниной, З.А. Корчагиной [1986]. Запасы основных элементов питания (нитратного азота, подвижного фосфора и подвижного калия) в почве рассчитывали по формуле [Методические рекомендации, 1989; Герасименко, 2009]:

Запасы = N х Ь х с! х 0,1, где N - содержание Ж)3 (Р205 или К20) в почве, мг/кг; Ь — глубина исследуемого слоя почвы, см; с! — объемная масса, г/см3.

Определение агрохимических показателей почвы было выполнено по общепринятым методикам: нитратный азот ионометрическим методом [ГОСТ 26951-86]; подвижный фосфор и калий определяли по Чирикову [ГОСТ 2620491]; гумус по Тюрину [ГОСТ 26213-93]; рН солевой вытяжки потенциометриче-ским методом. Гидролитическую кислотность определяли по ГОСТ 26212 - 91. Для характеристики результатов выполняли статистическую обработку данных.

3. Влияние фактора мезорельефа на изменение запасов продуктивной влаги, элементов питания в почве и урожайности озимой пшеницы

Анализ динамики запасов продуктивной влаги в почве в пределах основных типов мезорельефа. Почвенная влага является одним из важнейших

экологических факторов. Исключительно велика ее роль в плодородии почвы, в обеспечении условий жизни растений.

Полученные данные свидетельствуют, что количество влаги в почве в отдельные периоды онтогенеза зависело от количества выпавших осадков. Кроме этого, влияние на влажность почвы и ее запасы оказывали влияние орографические экологические условия. Выявлено, что в годы с засушливым периодом вегетации контраст между микрозонами геоморфологического профиля южной экспозиции по влажности почвы был резче выражен по сравнению с благоприятными годами (рис. 1).

Рисунок 1 - Динамика влажности почвы (%) в слое 0-30 см в зависимости от фактора мезорельефа в соответствии с ГТК (2010-2013 гг.)

Выявлено постепенное снижение средних значений влажности почвы в слое 0-30 см от плакора до микрозоны крутизной 3-5° (от 23,3 до 19,9%). Корреляционный анализ выявил взаимосвязь ГТК и влажности почвы. На плакоре коэффициент корреляции был равен 0,71; в условиях склон 1-3° - 0,5; на склоне крутизной 3-5° - 0,66.

Оптимальные значения запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы находятся в пределах 130-160 мм [Вадюнина, 1986]. В среднем за 2009-2013 годы преобладающее количество запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в представительных микрозонах отмечено на плакоре (84,6-184,3 мм) по сравнению с микрозоной склона крутизной 3-5° (17,0-124,9 мм), за счет меньшего испарения с поверхности почвы (табл. 1).

В процессе вегетации в склоновых агроэкосистемах максимальное содержание продуктивной влаги в 0-100 см слое почвы наблюдалось в фазу отрастания. Ее количество изменялось от 124,9 до 184,3 мм. Это связано с обильными атмо-

сферными осадками, выпавшими в зимний период (150.6 мм). В периоды колошения / цветения и молочно-восковой спелости отмечены наименьшие запасы продуктивной влаги на всех вариантах, что связано низким количеством атмосферных осадков (23,6 мм), их значения в поверхностном слое 0-100 см составили 59,4-86,5 мм.

Таблица 1 - Изменение запасов продуктивной влаги в слое почвы 0-100 см за период вегетации в зависимости от фактора мезорельефа, мм (2009-2013 гг.)

Вариант Всходы Отрастание Трубкова-ние Колошение/ цветение Молочно-восковая спелость Полная спелость

плакор 148,5 184,3 146,3 115,05 84,6 142,3

склон 1-3° 131,3 182,5 136,6 104,4 76,6 138,0

склон 3-5° 52,3 124,9 35,7 40,0 17,0 44,7

среднее 110,7 163,9 106,2 86,5 59,4 |_ 108,3

НСРщ фактор А - рельес 17,2; В - ¡аза - 24,4

Таким образом, на влажность почвы и состояние запасов продуктивной влаги в представительных склоновых агроэкосистемах оказывали влияние климатические и орографические экологические факторы. Выявлено, что в условиях плакора и приводоразделыюй микрозоны крутизной 1-3° запасов продуктивной влаги было достаточно для роста и развития растений (136,8 и 128,2 мм). В микрозоне крутизной 3-5° отмечались наименьшие запасы продуктивной влаги (55,7 мм), вследствие чего растения в этой микрозоне стали менее экологически пластичными и были вынуждены адаптироваться к стрессовым условиям.

Выявление изменения запасов основных элементов питания в почве в пределах основных типов мезорельефа. Наиболее важными элементами в питании растений являются нитратный азот, подвижный фосфор и подвижный калий. Для нормального развития растениям озимой мягкой пшеницы необходимо 110120 кг/га азота [Смирнов, 1981]. Исследования показали, что запасы нитратного азота в 0-30 см слое почвы в условиях склона были низкими в связи со слабой нитрификационной активностью (78-55,6 кг/га). Оценка значимости различий между средними по запасам нитратного азота показала, что наибольшее их коли-

чество зафиксировано на плакоре (113,3 кг/га), а наименьшее -тизной 3-5° (55,6 кг/га) (см. рис. 2а).

в микрозоне кру-

а

Х1 и Х2 - запасы нитратного азота (кг/га) в соответствующей микрозоне (а)

Х1 и Х2 - запасы подвижного фосфора (кг/га) Х1 и Хг - запасы подвижного калия (кг/га) в соответствующей микрозоне (б) в соответствующей микрозоне (в)

Рисунок 2 - Влияние орографических условий на запасы основных элементов питания в слое слое почвы 0-30 см, кг/га (2009-2013 гг.) а - нитратного азота, б - подвижного фосфор, в - подвижного калия

Чтобы получить высококачественную продукцию требуется 80-110 кг/га подвижного фосфора [Смирнов, 1981]. В пределах геоморфологического профиля южной экспозиции достоверно наибольшие запасы подвижного фосфора в поверхностном слое почвы наблюдались в приводораздельной микрозоне крутизной 1-3° (83,6 кг/га) (см. рис. 26). Наименьшие запасы элемента сосредоточены в микрозоне крутизной 3-5° (66,7 кг/та) и на плакоре (62,5 кг/га).

Для полноценного развития растениям необходимо 70-80 кг/га калия [Смирнов, 1981]. Оценка значимости различий между средними по запасам подвижного калия показала, что на плакоре наблюдались наименьшие показатели

(98,2 кг/га) по сравнению со склоновыми микрозонами (131,8-155,4 кг/га) (рис. 2в).

Таким образом, главными факторами, оказывающими влияние на динамику содержания основных элементов минерального питания в почве, являются фазы онтогенеза, климатические и орографические экологические условия. В почве в период онтогенеза наблюдался недостаток запасов нитратного азота в пределах склоновых форм мезорельефа (55,6-78 кг/га). Запасов подвижного фосфора не хватало растениям в условиях плакора и микрозоны крутизной 3-5° (62,5 и 66,7 кг/га). Однако в приводоразделыюй микрозоне крутизной 1-3° было сосредоточено достаточное количество Р2О5 (83,6 кг/га). Запасы подвижного калия в почве были оптимальными (98,2-155,4 кг/га).

Динамика урожайности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в агроэкосистемах в зависимости от агрофона и фактора мезорельефа. Применение удобрений в агроэкосистемах повышает их продуктивность и улучшает плодородие почв. В существующих рекомендациях по применению удобрений в условиях склоновых форм рельефа предполагается увеличение норм внесения органических и минеральных удобрений в 1,5-2 раза [Гинзбург, 1981; Иванов, 1984; Рындыч, 1989; Кирюшин, 1996; Никитишен, 2000; Осипов, 2001]. С точки зрения природоохранных систем, данный подход не обеспечивает экологического баланса в агроландшафтах.

Применение удобрений в пределах склоновых агроландшафтов определяется экономическими и экологическими задачами. По данным Смирновой Л.Г. [2006], оптимальной следует считать дозу ЫбОРбОКбО, при внесении которой можно получить урожайность озимой мягкой пшеницы 4,0 т/га в микрозоне склона крутизной 3-5°. Превышение этой дозы в условиях склоновых агроландшафтов не обеспечит более высокую урожайность культуры, вследствие высокой эродированное™ почв, а также будет экономически не выгодно [Смирнова, 2014].

В ходе исследования установлено, что в среднем за 2010-2013 гг. урожайность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы была низкой в связи со сложившимися засушливыми климатическими условиями

и изменялась в зависимости от форм мезорельефа от 3,0 т/га на плакоре до 1,4-2,3 т/га в условиях склона. Внесение удобрений увеличивало ее до 1,9-2,5 т/га. Чтобы поднять урожайность озимой пшеницы до уровня плакора нужно вносить повышенные дозы удобрений, однако, проведенные исследования подтвердили, что увеличение дозы удобрений на эродированных почвах не всегда оправдано. В среднем окупаемость применения удобрений в склоновых агроландшафтах составила 1 кг в микрозоне склона 1-3°; 2,8 кг — в микрозоне склона 3-5°, что является низким показателем (табл. 2).

Таблица 2 - Урожайность регионально домшшрующих внутривидовых вариантов озимой

пшеницы в зависимости от агрофонаи форм мезорельефа, т/га (2010-2013 гг.)

Внутривидовой вариант Плакор Микрозона склона 1-3° Мшсрозона склона 3-5°

Б/у КРК (60 кг Д.в.) Прибавка, т/га Окупаемость, кг Б./у КРК (60 кг Д.в.) Прибавка, т/га Окупаемость, кг

Белгородская 12 2,7 2,6 3,1 0,5 2,8 1,5 2,5 1,0 5,0

Одесская 267 2,5 2,1 2,2 0,1 0,5 1,2 1.8 0,6 3,0

Ариадна 3.2 2,7 2,9 0,2 1.0 1,5 1.8 0,3 1.7

Синтетгас 3,1 1.9 2,1 0,2 1,0 1,4 1.8 0,4 2.0

Богданка 3,6 2.3 2,4 0,1 0,5 1,5 1,8 0,3 1,7

Корочанка 3.0 2,0 2,2 0,2 1,0 1.03 1,5 0,47 2,6

Среднее 3,0 2,3 2,5 0,2 1,0 1,4 1,9 0,5 2.8

НСР95 фактор А - рельеф - 0.35; В - вариант - 0,37

Внутривидовая дифференциация выявила различия в прибавке зерна и окупаемости удобрений. В микрозоне склона 1-3° прибавка зерна изменялась в пределах 0,1-0,5 т/га, окупаемость — 0,5-2,8 кг. В микрозоне склона 3-5° прибавка зерна варьировала от 0,3 до 1,0 т/га, окупаемость — от 1,7 до 5 кг. Наиболее эффективные показатели отмечены у внутривидового варианта Белгородская 12.

Таким образом, в пределах основных форм мезорельефа каждая микрозона характеризовалась определенным температурным режимом и условиями влагообеспеченности, что привело к формированию специфических экотопов. За исследуемый период (2010-2013 гг.) отмечена низкая урожайность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы (1,4-3,0 т/га). Внесение оптимальной дозы удобрений незначительно увеличило ее (1,9-2,5 т/га).

Однако, эффективность применения удобрений в склоновых агроландшафтах была низкой, окупаемость составила 1 кг в микрозоне склона 1-3° с прибавкой зерна 0,2 т/га; 2,8 кг - в микрозоне склона 3-5° с прибавкой зерна 0,5 т/га. Следовательно, внесение удобрений не является лимитирующим экологическим фактором, определяющим устойчивое повышение продуктивности озимой пшеницы. По этой причине исследования продолжились в направлении поиска регионально доминирующих внутривидовых вариантов культур, наиболее агроэкологически пластичных в сложных условиях склоновых агроландшафтов. Такой экологический подход поможет избежать больших затрат и средств на возделывание культивируемого вида, позволит повысить его продуктивность и избежать нецелесообразного антропогенного воздействия на базовые компоненты агроэкосистем.

4. Оценка зависимости морфометрических показателей регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы от фактора

мезорельефа

Динамика высоты растений озимой пшеницы в пределах основных типов мезорельефа. Высота растения - это индивидуальный показатель для каждого внутривидового варианта. Объектом конкретных исследований были средне-рослые и полукарликовые формы. К среднерослым формам относятся внутривидовые варианты Белгородская 12 (76-107 см), Корочанка (88-112 см); Одесская 267 (67-82 см), Синтетик (57-94 см), Ариадна (80-91 см), к полукарликам - Бо-гданка (70-95 см) [Нецветаев, 2012].

Проведенные исследования показали, что высота растений доминирующего вида в представительных агроэкосистемах изменялась в зависимости от климатических и орографических экологических условий. Установлено, что на плакоре значения по данному параметру были существенно выше (74 см), чем в микрозоне крутизной 3-5° (68,3 см). В годы с засушливым периодом вегетации (2010 г., 2012 г.) высота растений была достоверно ниже (51,4-57,9 см), чем в годы с благопри-

ятными условиями (69-75,5 см). Среди среднерослых внутривидовых вариантов по высоте растений наиболее экологически пластичными к фактору мезорельефа являлись варианты Белгородская 12 (72,9-74,8 см) и Одесская 267 (66,9-70,6 см). У других среднерослых вариантов Ариадна (72,5 и 66,8 см), Синтетик (76,5 и 70,1 см) и Корочанка (78,1 и 65,6 см) и полукарликового варианта Богданка (71,6 и 63,3 см) отмечена слабая экологическая пластичность к орографическим условиям по высоте растений.

Оценка площади листовой поверхности растений озимой пшеницы. Площадь листовой поверхности — один из основных показателей продуктивности фотосинтеза растений. В ходе исследования доказано влияние орографических условий на площадь листовой поверхности растений озимой пшеницы (табл. 3). Площадь ассимиляционной поверхности флагового и второго листа на плакоре существенно больше (6,65 и 10,33 см2), чем в микрозоне крутизной 3-5° (5,57 и 9,67 см2). Известно, что с увеличением крутизны склона южной экспозиции возрастает поступление солнечной энергии на его поверхность. Таким образом, в условиях склона усиливается действие солнечных лучей на растения, в первую очередь на флаговые листья. Именно поэтому в условиях склоновых агроландшафтов площадь листовой поверхности увеличивается слабее. Таблица 3 - Влияние орографических условий на площадь листовой поверхности

регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы, см2 (2010-2013 гг.)

Внутривидовые варианты Плакор Склон 1-3° Склон 3-5°

1 лист 2 лист 1 лист 2 лист 1 лист 2 лист

Белгородская 12 7,42 11,03 6,27 10,13 6,00 10,39

Одесская 267 5,96 9.26 5.77 9.25 5,28 9,23

Ариадна 6,11 9,52 5,86 9.69 5,30 9,07

Синтетик 7,09 11,09 6.50 10,41 6,03 10,16

Богданка 6,58 10,6 5.88 9.95 5,14 9,70

Корочанка 6,78 10,44 6.02 9.80 5.70 9,49

Среднее 6,65 10,33 6,04 9.87 5.57 9,67

НСР95 фактор А-рельеф-0,26 / 0,32; фактор В - вариант - 1,01 / 0,72

Оценка различий между регионально доминирующими внутривидовыми вариантами в представительных агроэкосистемах показала, что на плакоре наибольшая площадь флагового листа обнаружена у варианта Белгородская 12 (7,42

см2), площадь второго листа была больше у вариантов Белгородская 12 (11,03 см2) и Синтетик (11,09 см2). В условиях склоновых агроэкосистем разницы между регионально доминирующими внутривидовыми вариантами не выявлено.

Таким образом, исследования показали, что площадь листовой поверхности озимой пшеницы изменялась в зависимости от орографических условий. В среднем за 2010-2013 годы на плакоре зафиксирована максимальная площадь ассимиляционной поверхности флагового листа (6,65 см2), а в микрозоне крутизной 3-5° - минимальная (5,57 см2). Наибольшие показатели по данному критерию наблюдались у регионально доминирующих внутривидовых вариантов Белгородская 12 (6,0-7,4 см") и Синтетик (6,03-7,09 см2). Наименьшая площадь листовой поверхности отмечена у вариантов Одесская 267 (5,28-5,96 см2) и Ариадна (5,3-6,11 см2).

Анализ динамики массы сухого вещества растений озимой пшеницы. Масса сухого вещества растений изменялась в зависимости от фактора мезорельефа. В среднем по внутривидовым вариантам за 2010-2013 годы она варьировала в пределах 587,4-961,4 г/м2. Максимума она достигала на плакоре у всех сортов, кроме варианта Белгородская 12, у которого различий по микрозонам не выявлено (622,9-709,3 г/м2).

Различия между регионально доминирующими внутривидовыми вариантами озимой пшеницы по массе сухого вещества выявлены только на плакоре. В этой микрозоне они разделились на две группы: Ариадна, Богданка и Корочанка, у которых содержание сухого вещества было достоверно выше и составило 1066,6-1248,9 г/м2, и Белгородская 12, Одесская 267 и Синтетик с наименьшими показателями (709,3-898 г/м2). На склоновых микрозонах масса сухого вещества варьировала в пределах 481,2-803,7 г/м2, однако существенных различий не отмечено.

Таким образом, в ходе исследований выявлено, что на массу сухого вещества оказывали влияние орографические экологические условия. Наибольшие значения и внутривидовые отличия отмечены на плакоре.

5. Оценка экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи по экоморфологическим показателям

Оценка экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи по количеству устьиц. Устьичный аппарат отвечает за регуляцию газо- и водообмена растения с внешней средой путём изменения ширины устьичной щели.

Установлено, что на количество устьиц озимой пшеницы оказывают влияние орографические и климатические условия. В засушливых условиях наблюдалось большее число устьиц. Так, в сухом 2010 году количество устьиц в среднем варьировало от 7377 до 7797 шт./см2; в 2012 году - от 7992 до 8092 пгг./см2. В то время как в благоприятном 2011 году их число было меньше и составило 53965753 шт./см*. В засушливом 2013 году за счет достаточных запасов продуктивной влаги в почве, количество устьиц у озимой пшеницы было меньше, чем в предыдущие засушливые годы и составило 5635-7059 шт./см2.

В качестве параметра оценки экологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи в конкретную фазу онтогенеза использовался устьичный коэффициент (Ку). При этом, чем больше значения устьичного коэффициента отклоняются от нуля, тем сильнее или слабее выражена экологическая пластичность к стресс-фактору засухи. При отрицательных показаниях устьичного коэффициента внутривидовые варианты являются экологически непластичными, от 0 до 10 — слабопластичными, от 10 до 20 - среднепластичными, от 20 до 30 - высокопластнчными. Устьичный коэффициент рассчитывали по формуле:

Ку = N — N] хГТК х 0,01, где Ку - устьичный коэффициент; N - среднемно-голетнее число устьиц; Ni - число устьиц в определенную фазу онтогенеза; ГТК — гидротермический коэффициент в определенную фазу онтогенеза; 0,01 — постоянная составляющая.

Таким образом, исследования показали, что устьичные коэффициенты изменялись в зависимости от фазы онтогенеза, сорта, орографических и климатических условий. Наиболее агроэкологически пластичным к условиям произрастания являлся вариант Ариадна (1,8-2,25), а наименее - Одесская 267 (-0,8-1), Белгородская 12 (-1,07-0,3) и Корочанка (-1-0).

Использование параметров водного обмена растений озимой пшенпцы для определения их экологической пластичности к стресс-фактору засухи. Растения обладают широким спектром защитно-приспособительных реакций, способствующих развитию их устойчивости к засушливым условиям окружающей среды.

В ходе исследования установлено влияние на изменение параметров водного обмена растений озимой пшеницы орографических, климатических условий и внутривидовых особенностей. Однако достоверные и точные данные, по которым можно было бы судить о степени экологической пластичности внутривидовых вариантов озимой пшеницы, не были получены. Исследования параметров водного обмена позволили определить относительную экологическую пластичность внутривидовых вариантов доминирующего вида агроэкосистемы к стресс-фактору засухи: для всех исследуемых сортов характерна средняя и выше средней экологическая пластичность (2,5 и 2,75 баллов). Высокая экологическая пластичность выявлена у внутривидовых вариантов Ариадна на плакоре и Синтетик в микрозоне склона 3-5° (3 балла).

Определение влияния экоморфологических и морфометрических параметров на урожайность озимой пшенпцы в условиях представительных плакорных и склоновых агроландшафтов. Итоговая шкала оценки агроэко-логической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы по экоморфологическим и морфометрическим показателям к фактору мезорельефа представлена в таблице 4. Определялись следующие условия оценки агроэкологической пластичности регионально доминирующих внутривидовых вариантов, которые указывают, что если доказано достоверное преобладание показателя по изучаемому параметру, то фиксируется

высокая экологическая пластичность (3 балла). При промежуточном значении показателя, фиксируется средняя экологическая пластичность (2 балла). Если показатель по изучаемому параметру наименьший, то отмечается низкая экологическая пластичность (1 балл). Внутривидовые варианты озимой пшеницы, набравшие от 7 до 11 баллов, являются слабопластичными, от 12 до 16 баллов -среднепластичными, от 17 до 21 баллов - высокопластичными. Таблица 4 - Шкала оценки агроэкологической пластичности регионально доминирующих внут-

ривидовых вариантов озимой пшеницы к фактору мезорельефа, балл (2009-2013 гг.)

Параметры Микро- Белгород- Одес- Ариад- Синте- Вогдан- Корочан-

зона ская 12 ская 267 на тик ка ка

Высота растений 1 2 1 1 2 1 3

2 3 1 2 2 1 3

3 3 2 1 2 1 1

Площадь листовой 1 3 1 1 2 2 2

поверхности 2 3 1 2 3 1 2

3 3 2 2 3 1 2

Масса сухого 1 1 1 3 2 3 3

вещества 2 1 1 3 2 2 2

3 ^ 1 1 2 2

Содержание раство- 1 1 3 1 1 2 1

римых 2 3 2 3 2 3 1

углеводов 3 2 3 3 1 2 3

Параметры водного 1 2 1 3 2 2 2

обмена 2 2 1 2 2 2 1

3 2 2 1 3 2 2

Количество устыщ 1 2 2 3 2 3 1

2 1 1 3 2 2 2

3 2 2 3 2 2 2

Урожайность 1 1 1 2 2 3 2

2 3 -> 3 1 2 1

3 2 1 2 2 2 1

Итого, баллов 1 13 10 14 13 16 14

2 16 9 18 14 13 12

3 16 14 13 14 12 13

1 - плакор; 2 — микрозона склона 1-3°; 3 - микрозона склона 3-5°

Так, на плакоре выявлена средняя агроэкологическая пластичность к фактору мезорельефа и стресс-фактору засухи у внутривидовых вариантов Белгородская 12, Ариадна, Синтетик, Богданка и Корочанка (13-16 баллов); у варианта Одесская 267 отмечена слабая пластичность (10 баллов). В микрозоне

склона 1-3° высокая экологическая пластичность отмечена у варианта Ариадна (18 баллов), наименьшая пластичность - у варианта Одесская 267 (9 баллов), у остальных вариантов - средняя пластичность (12-16 баллов). В микрозоне склона 3-5° все внутривидовые варианты проявили среднюю агроэкологиче-скую пластичность к условиям произрастания (12-16 баллов).

ВЫВОДЫ

1. Различие микрозон агроландшафта в пределах основных типов мезорельефа по сумме эффективных температур выше 10°С и увлажненности территории приводит к формированию специфических экотопов, отличающихся по запасам продуктивной влаги (в условиях плакора и микрозоны склона 1-3° значения были выше (95,2 и 93,9 мм), чем в микрозоне склона 3-5° (72,7 мм) и запасам основных элементов минерального питания. Запасы нитратного азота на плакоре составили 113,3 кг/га, в микрозоне склона 1-3° - 78 кг/га, в микрозоне крутизной 3-5° - 55,6 кг/га; запасы подвижного фосфора - 66,7; 83,6; 62,5 кг/га; запасы подвижного калия - 98,2; 131,8; 155,4 кг/га соответственно.

2. В условиях представительных склоновых агроэкосистем применение удобрений не является основным лимитирующим экологическим фактором в устойчивом повышении продуктивности регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы. Эффективность применения удобрений в склоновых агроландшафтах была низкой вследствие засушливых условий, сложившихся за период исследования 2010-2013 гг., и составила 1 кг в микрозоне склона 1-3° с прибавкой зерна 0,2 т/га; 2,8 кг - в микрозоне склона 3-5° с прибавкой зерна 0,5 т/га.

3. Морфометрические показатели являются значимыми параметрами экологической пластичности растений к орографическим и климатическим экологическим условиям. Адаптивные реакции внутривидовых вариантов выражаются в изменении высоты растений, площади листовой поверхности и массы сухого вещества. На плакоре высота растений (74 см), площадь листовой поверхности (6,2

см2), масса сухого вещества (961,4 г/м2) существенно выше, чем в микрозоне крутизной 3-5° соответственно (68,3 см; 5,6 см2; 587,4 г/м2).

4. Экоморфологические показатели определяют экологическую пластичность регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи и фактору мезорельефа. Наиболее значимым биометрическим параметром является устьичный коэффициент, который показал, что наиболее экологически пластичным к условиям произрастания был внутривидовой вариант Ариадна, а наименее - Одесская 267.

5. Комплексная агроэкологическая оценка регионально доминирующих внутривидовых вариантов озимой пшеницы в пределах основных форм мезорельефа выявила, что высокопластичным внутривидовым вариантом является Ариадна (18 баллов) в микрозоне склона 1-3°, а Одесская 267 имела слабую экологическую пластичность на плакоре и микрозоне склона 1-3° (10 и 9 баллов). У остальных вариантов отмечена средняя экологическая пластичность (12-16 баллов) к стресс-фактору засухи и фактору мезорельефа.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Юг Среднерусской возвышенности с широким распространением склоновых arpo ландшафтов необходимо активно использовать для выявления и создания специализированных агроэкологически пластичных внутривидовых вариантов озимой пшеницы к стресс-фактору засухи и фактору мезорельефа.

2. Для повышения продуктивности озимой пшеницы целесообразно возделывать в условиях склоновых лесостепных агроландшафтов ЦЧЗ России регионально доминирующие внутривидовые варианты озимой пшеницы Ариадна, Белгородская 12, Синтетик, Корочанка и Богданка.

3. Внутривидовой вариант озимой пшеницы Одесская 267 слабопластичен к орографическим и климатическим экологическим условиям, поэтому его возделывание необходимо снизить.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смирнова, Л. Количественная характеристика процессов водной эрозии при использовании почвозащитных культур в агроландшафтах / Л.Г. Смирнова, Ю.И. Малахова, A.A. Кувшинова, И.И. Попкова И Эрозия почв: Проблемы и пути повышения эффективности растениеводства: материалы Международной научно-практической конференции. - Ульяновск, 2009. - С. 98-102.

2. Смирнова, Л.Г Влияние экологических факторов в условиях склоновой микрозональности на высоту растений озимой пшеницы / Л.Г. Смирнова, Ю.И. Малахова, И.И. Михайленко // Достижения науки и техники АПК. - 2010. - №10. - С. 14-16.

3. Смирнова, Л.Г. Определение экологической устойчивости сортов озимой пшеницы в разных геоморфологических условиях методом устьичного анализа / Л.Г. Смирнова, И.И. Михайленко // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки.-2013,-№7.-С. 50-55.

4. Михайленко, И.И. Влияние экологических факторов на содержание нитратного азота в почве в условиях склоновой микрозональности / И.И. Михайленко // Материалы Международной научной конференции. - Харьков, 2012. - С. 50-52.

5. Смирнова, Л.Г. Урожайность сортов озимой пшеницы в условиях склоновой микрозональности / Л.Г. Смирнова, В.П. Нецветаев, И.И. Михайленко // Агрохимия.-2014,-№7.-С. 38-44.

6. Михайленко, И.И. Экологическая оценка засухоустойчивости сортов озимой пшеницы по параметрам водного режима в условиях склоновой микрозональности / И.И. Михайленко // Материалы Международной научной конференции. — Белгород, 2014.

7. Смирнова, Л.Г. Формирование высокопродуктивных агроценозов озимой пшеницы в условиях склоновой микрозональности / Л.Г. Смирнова, И.И. Михайленко // Сборник докладов научно-практической конференции Курского отделения МОО «Общество почвоведов им. В.В. Докучаева». - Курск: ФГБНУ ВНИИЗиЗ-ПЭ, 2014.-С. 97-100.

8.Смирнова, Л.Г. Экологическая оценка накопления и миграции нитратов в агро-экосистеме / Л.Г. Смирнова, И.И. Михайленко // Экология и биология почв: материалы Международной научной конференции. - Ростов-на-Дону, 2014. - С. 188191.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Подписано в печать 3.04.2015 г. Формат 60x84 Уел .печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 159.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул.,44 Тел.(499) 977-00-12, 977-40-64