Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние цикличности инсоляции на формирование урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Влияние цикличности инсоляции на формирование урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края"

005531219

На правах рукописи

Никулочкина Светлана Николаевна

Влияние цикличности инсоляции на формирование урожайности сортов яровой пшеницы в лесостепных и степных зонах Красноярского края

Специальность 06.01.01 - Общее земледелие, растениеводство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

4 Ш1 ¿013

Красноярск 2013

005531219

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Ивченко Владимир Кузьмич

Демидеико Галина Александровна,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», кафедра агроэкологии и природопользования, зав. кафедрой

Рассыпное Виталий Александрович,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», кафедра землеустройства, земельного и городского кадастра, профессор

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Защита состоится 3 июля 2013 года в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.06 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^? мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук

Халипский А.Н.

Введение

Актуальность темы. В АПК России значительная роль принадлежит Сибирскому федеральному округу, включающему территорию Красноярского края с масштабными природно-климатическими и 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 агроэкологических системах при сопряжении временной и пространственной структур и характеризуется декомпенсационным эффектом, установленным Ю.Л. Раунером (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 агро-экологическую систему, распределяется на два полупериода солнечной активности различной мощности, которые чередуются согласно правилу, установленному М.Н. Гневышевым и А.И. Олем (1948), и составляют полный период инсоляции. По оценкам С.С. Бакая (1984), Г.А. Демиденко (2007), B.C. Шевелухи (1992), В.В. Шеве-лухи (1975), за счёт выбора оптимальных сортов приращение урожайности в благоприятные по солнечной активности годы может достигать 35-40 %. Опыты Н.Г. Вед-рова (1984), Ю.Ф. Едимеичева (1986), В.К. Ивченко (1998), В.И. Никитиной (1983), Ю.А. Овсянникова (1999), И.А. Редкозубова (2000), Н.В. Скляднева (1971), H.A. Су-рина (1987), А.Н. Халипского (2003) выявили тенденцию селекционного прогресса хлебных злаков к повышению урожая. В работах В.А. Драгавцева (2000), A.A. Жу-ченко (1988), В.И. Кирюшина (1996) показано, что потенциал высокопродуктивных сортов используется в АПК недостаточно - на 30-50 %. При подборе сортов яровой пшеницы, проявляющих адаптационный потенциал, необходимо учитывать влияние цикличности инсоляции на формирование урожайности по временной и пространственной структурам.

Цель исследования. Исследовать влияние цикличности инсоляции на формирование урожайности сортов яровой пшеницы на ГСУ лесостепных и степных зон Красноярского края для получения высоких и устойчивых урожаев.

Задачи исследования:

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

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

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

4. Разработать механизм ротации сортов (сортооборот) яровой пшеницы с учётом влияния цикличности инсоляции на урожайность её сортов для повышения устойчивости продукционного процесса, спроектировать оптимальные сортооборо-ты на ГСУ лесостепных и степных зон для повышения валового сбора зерна в сельскохозяйственных районах Красноярского края.

5. Определить эколого-экономическую эффективность проектов сортооборота яровой пшеницы для лесостепных и степных зон.

Защищаемые положения:

1. Цикличность инсоляции 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 точностью определения собственных циклов е2 сортов при долгосрочном прогнозе.

3. Устойчивость продукционного процесса обеспечивается декомпенсационным эффектом, создаваемым механизмом ротации сортов (сортооборотом) яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности, а 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 взаимосвязь урожайности сортов яровой пшеницы с цикличностью 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. Соответствуют п. 17 «Теория и практика планирования и методика лабораторного, вегетационного и полевого экспериментов в земледелии» Паспорта номенклатуры специальностей научных работников 06.01.01 - «Общее земледелие, растениеводство». Включена в п. 5 «Экологическая реакция видов (сортов) на изменяющиеся условия внешней среды (отношение к температурным, почвенным условиям, а также к условиям влагообеспеченности, пищевого и светового режима), п. 10 «Теоретические и практические основы программирования высоких урожаев и сортовой агротехники» области науки растениеводство.

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 новнзна 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 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 существенно повысить валовые сборы яровой пшеницы в условиях Красноярского края.

Основные результаты приняты к использованию филиалом ФГБУ «Госсортко-миссия» по Красноярскому краю, Республике Хакасия, Республике Тыва, в Сухобу-зимском и Новосёловском ГСУ, а также используются в учебном процессе и научных разработках Института агроэкологических технологий ФГБОУ ВПО КрасГАУ. Работа выполнена в рамках тематического плана-задания на выполнение научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО КрасГАУ по заказу Минсельхоза России за счёт средств федерального бюджета на 2013 год «Аналитический мониторинг агро-экологического зонирования земель Восточной Сибири на примере Красноярского края».

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований представлялись и обсуждались на региональных и внутривузовских научных конференциях, в том числе: Международная научно-практическая конференция «Вавилов-ские 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 ИМИ аналитического мониторинга и моделирования при ФГБОУ ВПО КрасГАУ «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов в АПК», Красноярск, 2010,2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 12 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; 2 монографии; получено 2 свидетельства ФГУП «Информрегистр», в том числе на одну методическую рекомендацию (№ 27138, 27285); 3 свидетельства Роспатента на программы для ЭВМ (№ 2012617406,2013612147,2013613735) и 8 актов внедрения результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шли глав, выводов и предложений, списка литературы и приложения. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 21 таблицу. Список литературы из 257 наименований включает 9 источников на английском языке. Приложение на 5 страницах.

Личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены исследования, проведённые автором с 2007 по 2011 г. Модели и методика исследований продуктивности растений яровой пшеницы, определение декомпенсационного эффекта в природно-экологических циклах, проекта формирования сортооборота для лесостепных и степных зон Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Тыва, а также научные выводы впервые предложенные автором.

Автор выражает благодарность научному руководителю, директору Института агроэкологических технологий, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Владимиру Кузьмичу Ивченко и начальнику филиала ФГБУ «Госсорткомисия» по Красноярскому краю, Республике Хакасия, Республике Тыва Александру Александровичу Количенко за профессиональные консультации при выполнении работы.

Основное содержание

В первой главе «Анализ теоретических положений и опытных данных госсортоучастков по оценке колебаний продуктивности яровой пшеницы» даны аналитический обзор цикличности продукционного процесса в агроэкологических системах,

геоинформационные оценки резистентности (к септориозу) 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 септо-риозом (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. 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-экологическимусловиям.

Во второй главе «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 (%) септориозом 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:

■^уМо+^М+^бО.

5, (*) = + Ь2х2 + Ь3х3 + ¿„х" + Ь,х5, ^00 = КУ + ьу + ьу + ьу + Ь10у5, где Ь0, 6,, Ь2, Ь}, 64, Ь5, Ь6, Ь7, Ьг, Ь„ Ью - отыскиваемые коэффициенты регрессии;

(*)> (у) - вклад полупериода солнечной активности и цикла продуктивности яровой пшеницы в развитие процесса по выбранному показателю.

Район

1. Дзержинский

2. Карачинский

3. Камский

4. Каратувсккй

5. Краснотуранский

6. Минусинский

7. Натаровский

8. Новоссловский

9. Саянский

10. Сухобузимский

11. Ужурский

12. Унрский

Урожайность пшен ины. 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. аеркол. ПШСНИЦЫ,

83,44

73.02 82,09 91,35 86,90 90.29

88.89

93.03

89.90 92,26 88,23 93,42

Урожайность сорта, и/1га

31,42

16,65

35,38

24,04

21.68

20,50

3432

26,29

22,20

30,22

39,23

20,17

период сорта, лн.

Краснояр!

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

Рисунок 2 - Сопряжение показателей сорта Рисунок 3 - Сопряжение показателей сорта

Ветлужанка на Минусинском ГСУ Кантегирская 89 на Минусинском ГСУ

————— Урожайность, ц/га

"""""........................... Высота растений, см

■ Вегетационный период, дн.

Степень поражения септориозом, % 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 (д2-»тах) и минимума абсолютной и относительной погрешностей (£2->тт, <Уг-»тт). 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 (*) в полупериоде солнечной активности и продолжительности вегетационного периода (/, дн.) представляется предложенной полиномиально-логарифмической функцией:

и(*,г)= р0(х)+ р,(х)-Ь1Г + ¿>2(х)-1п2/ + р3(х)-1п3/ + р,(х)' 1п4/ + р5(х)-1п5Г , где л: = 0,1,...10,11; рг(х) - многочлены степени г = 1,..., 5. Из предложенной гипотезы сопряжения вытекает, что в окрестности точки перевала относительная погрешность з приближения функции и(х,{) к экспериментальным данным резко возрастает.

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

е(0 = е+2>и

2 пШ

2пЫ

Т, Т,

к-\

2л Ь

2пШ , . 2л:Ь

сое-+£>,. 81П-+

Т2 Т2

2л Ы

где с - среднее значение моделируемого показателя за промежуток с 0-го по 11-й модельный год; 7], Т2, Т3 - периоды действия солнечной радиации и двух производных факторов на исследуемый сорт; а]к, аи, аи и Ь1к, Ьи, Ьп - коэффициенты Фурье.

В частности, при разложении в ряд функции урожайности сорта определяется

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

тенциалов высоты растений сорта -с = уро1 см - и продолжительности вегетации -

с = и'ро, дн.

Потенциалы характеризуют индивидуальную особенность данного сорта в идеальных условиях развития при отвлечении от внешних возмущающих факторов.

В третьей главе «Методика исследований циклов продуктивности яровой пшеницы на опытных данных госсортоучастков Красноярского края» обосновано влияние циклов солнечной активности на колебания продуктивности яровой пшеницы, 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 1фая. 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 (л, %) 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):

у) = Ь0 + + Ь2х2 + Ь3х3 + Ь4х4 + Ь5х5 + Ь6у + Ь7у2 ■+ + Ь9у" + Ь10у5,

где Ь„=5.441798942; Ь,=31,80361905; Ь2=-15,45196649; Ь3=2.808348765; М-0.2115432099; Ь5=0,005527777777; Ь6=34,56268783; Ь7=-18,81390652; Ь8=-0,7215652564; Ь9=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 1га) 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 1 - Ана-шз погрешностей в точке перевала урожайности сорта Тулунская 12 _яровой пшеницы на Назаровском ГСУ*____

Модель-„ НЫЙ год в солнечной активности. X Календарный год Период вегетации. ДН. Урожайность, ц/га Вычисленная урожайность. ц/га S, ц/га д ,%

0 2000 84.00 47,30 47,5091188 -0,2091 188 -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

3 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 -0.0805416 -0,3427302

* Коэффициент детерминации зависимости составляет 99,26 %.

Гак. урожайность (н, 111 га) сорта Тулунская 12 в Назаровском районе в зависимости от номера года (х) в полунериоде солнечной активности и продолжительности вегетации (/, дн.) представляется функцией:

и(х.1) = Ьь + + Ы + Ь.,х2 1п: г + Ь5х Ы + Ь6х3 +Ь71п3; + 68х 1п" Г +Ь9х~ 1п/, где Ь0=455092,5858; Ь,=3888.279!4: Ь:=-305375,0127; Ь3=79,92001365; Ь4=68379,41562; Ь<=-1943.620002; Ь6=0,1019853233; Ь7=-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 %.

В четвёртой главе «Проекгирование 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 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 природно-экологическим условиям. Вычислительный эксперимент с разработанной квазипериодической моделью динамики системы продуктивности и биометрических 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 сеп-ториозом 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 гг.

Рисунок 7 - Аналитическое продолжение динамики системы урожайности и основных показателей яровой пшеницы на Уярском ГСУ ————■ Урожайность, ц/га яимшммма Высота растений, см

.............. Вегетационный период, дн.

»■■•»>»'-■- — Степень поражения септориозом, % Для зоны лесостепи, в которой расположены поля Канского, Каратузского, Назаровского, Сухобузимского, Ужурского, Уярского ГСУ, соотношения индексов урожайности (и, ц/га/см) и продолжительности вегетации 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 вегетации:

0,248 <¡7 <0,442; 0,839 < Ж < 0,988. Для зоны степи, в которой расположены поля Боградского, Бейского, Красно-туранского, Новосёловского, Минусинского, Пий-Хемского, Ширинского ГСУ, для устойчивости продукционного процесса в степной зоне необходимо выполнение следующих ограничений для индексов урожайности и продолжительности вегетации: 0,228 <¡7 <0,321; 0,936 < Ж <1,182 . Аналитическое представление системы урожайности и биометрических показателей и эквиваленты устойчивых процессов, полученные по данным ГСУ, позволили найти критериальные соотношения для обеспечения устойчивости системы продуктивности яровой пшеницы. Диапазон изменения индекса урожайности для лесостепной зоны существенно шире, чем для степной, а индекса продолжительности вегетации шире для степной зоны, чем для лесостепной.

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.

Модельный год Календарный год Новосибирская 15 Новосибирская 29 Омская 32 Тулунсхая 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 33,30 34,38 33,24 28,80 31,82

1 2013 18,61 27,42 39,78 16,31 30,27

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

И 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 9,22 134»

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 неч-ной актив- Ветлужан-ка Кантегир-ская 89 Мана2 Новосибирская 15 Новосибирская 29 Омская 20 Омская 32 Омская 33 Тулунская 12 Черемшан-ка Продук-

Календарный год Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность Модельный год Урожайность тивность яровой пшеницы, ц/га

ности, куль- куль- куль- куль- куль- куль- куль- куль- куль- куль-

X туры туры туры туры туры туры туры туры туры туры

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 58 27,664

' 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 23,3 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 0 233 60 0 23,5 04 5 22,2 41 26,294

11 2023, 2035 3 30,1 04 3 22,0 86 1 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.

Сорта из оптимальной подгруппы включены в сортооборот по годам полупериода солнечной активности. Например, на Канском Г'СУ 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).

Рисунок 8 - Динамика сортооборота 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 Кантегнрская 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 части 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. Дня 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).

В пятой главе «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 сортообороте, 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 6 - Эффективность введения сортооборота яровой пшеницы ___в степных 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 2011 г.

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; Щирин-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 лесостепных (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. Рекомендовать 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.

2. Использовать разработанные проекты сортооборотов яровой пшеницы для Сухобузимского и Новосёловского ГСУ 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.

3. Включить проектирование сортооборотов яровой пшеницы с учётом влияния цикличности инсоляции в учебный процесс Института агроэкологических технологий ФГБОУ ВПО КрасГАУ по курсам «Земледелие» и «Растениеводство».

Публикации по теме диссертации

в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Ивченко В.К., Никулочкина СЛ., Количенко А.А. Определение продуктивности яровой пшеницы в полупериоде солнечной активности // Веста. КрасГАУ. -Красноярск, 2012. -№ 1.-С. 51-58.

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

3. Цугленок Г.И., Ивченко В.К., Никупочкина С.Н. Моделирование распространения и развитая бурой ржавчины у яровой пшеницы // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2011.-№ 12.-С. 104-109.

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

5. Цугленок Г.И., Цугленок H.H., Никулочкина С.Н. Моделирование распространения и развития корневой гнили у яровой пшеницы // Вестн. 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 // Вестн. 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., Никулочкина С.Н., Ивченко В.К. Геоинформационный анализ продуктивности яровой пшеницы в Красноярском крае // Вестн. КрасГАУ. -Красноярск, 2012. - № 7. - С. 54-59.

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

10. Цугленок Н.В., Никулочкина СЛ., Ивченко В.К. Экспертно-аналитическая модель оценки почвенно-климатических условий в Красноярской лесостепи // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 4. - С. 80-88.

И. Цугленок Н.В., Никулочкина С.Н., Количенко А А. Экспертно-аналитическая модель оценки биометрических показателей возделываемых сортов зерновых культур // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 5. - С. 158-171.

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

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 28.05.2013. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1. Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 551 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117