Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Зависимость урожайности яровой пшеницы от параметров плодородия чернозема выщелоченного в северной лесостепи Тюменской области

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Салова, Елена Владимировна, Тюмень

ТЮМЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

САЛОВА Елена Владимировна

ЗАВИСИМОСТЬ УРОЖАЙНОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ ОТ ПАРАМЕТРОВ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО В СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н.В. Абрамов

Научный консультант кандидат педагогических наук, доцент А.П. Гудыма

Тюмень - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

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

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА.......................................................7

2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ....................................................................................26

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...............35

3.1. Выбор типа модели и определение ее сложности........................................36

3.1.1. Определение сложности модели.................................................................36

3.1.2. Обоснование выбора типа модели..............................................................40

3.2. Построение модели плодородия чернозема выщелоченного.....................44

3.3. Методы изучения системы "почва-урожай" на основе математической модели......................................................................................................................50

4. УРОЖАЙНОСТЬ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ..........................................................................................................54

4.1. Зависимость урожайности яровой пшеницы от параметров чернозема выщелоченного. Определение их оптимальных значений................................54

4.2. Влияние агрофизических факторов на урожайность яровой пшеницы .... 64

4.3. Агрохимические свойства и их значимость в формировании плодородия чернозема выщелоченного...............................................................72

4.4. Потери урожая от засоренности посевов и распространения

корневых гнилей......................................................................................................83

4.5. Эластичность плодородия чернозема выщелоченного................................87

5. БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКТИВНОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ПАРАМЕТРОВ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО .... 105

ВЫВОДЫ................................................................................................................115

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ..................................................................118

СТР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................119

АКТ НА ВНЕДРЕНИЕ..........................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение производства зерна было и остается ключевой проблемой сельского хозяйства. В северной лесостепи Тюменской области на черноземах, занимающих наибольшую площадь пахотных земель региона (302,6 тыс. га или 35,7 %) значительный удельный вес принадлежит яровой пшенице.

На современном этапе развития сельскохозяйственного производства необходим дифференцированный подход к разработке систем агротехнических мероприятий с учетом состояния и расположения почвенного покрова каждого хозяйства и отдельного поля севооборота. Агроландшафтная система земледелия особенно важна в связи с уменьшением площади земельных массивов при образовании фермерских хозяйств.

При недостаточной обеспеченности сельскохозяйственного производства средствами химизации вопрос эффективного использования плодородия почв становится более острым. В то же время повышение урожайности яровой пшеницы можно достичь только на основе знаний закономерностей формирования урожайности яровой пшеницы при изменении параметров плодородия чернозема выщелоченного.

Применение метода математического моделирования позволяет более четко систематизировать материалы научных исследований в системе "почва-урожай", наиболее глубоко и всесторонне изучить зависимость урожайности яровой пшеницы от параметров плодородия чернозема выщелоченного.

Ранее проводимые исследования влияния агрофизических, агрохимических и биологических факторов на урожайность яровой пшеницы в северной лесостепи Тюменской области не позволяют в полной мере изучить зависимость урожайности от параметров плодородия чернозема выщелоченного.

Поэтому целью настоящей работы является исследование зависимости урожайности яровой пшеницы от параметров плодородия чернозема выщелоченного в северной лесостепи Тюменской области с использованием метода математического моделирования.

Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

II »-» и

- выразить связь системы почва-урожаи в виде математического описания (функции);

- используя разработанную математическую модель исследовать влияние агрофизических, агрохимических и биологических свойств чернозема выщелоченного на продуктивность яровой пшеницы. Определить оптимальные значения факторов плодородия выщелоченного чернозема;

- дать количественную и качественную оценку влияния свойств чернозема выщелоченного на урожайность яровой пшеницы;

- дать биоэнергетическую и экономическую оценку продуктивности яровой пшеницы в зависимости от величины параметров плодородия чернозема выщелоченного.

Научная новизна исследования состоит в том, что для условий северной лесостепи Тюменской области зависимость урожайности яровой пшеницы от агрофизических, агрохимических и биологических факторов плодородия чернозема выщелоченного выражена в форме математического описания.

Введены новые показатели характеристики плодородия почвы, такие как интенсивность роста (снижения) урожайности и эластичность плодородия чернозема выщелоченного, отражающие наиболее полно и точно влияние параметров плодородия почвы на урожайность яровой пшеницы.

Исследование зависимости урожайности яровой пшеницы от параметров плодородия чернозема выщелоченного с использованием математического выражения и введенных показателей позволило выявить ряд неизвестных ранее закономерностей, а также оценить влияние на урожайность факторов почвенного плодородия в отдельности и в их совокупности.

Практическая ценность. Полученные результаты на основе использования математического моделирования позволяют совершенствовать ( разрабатывать) мероприятия по повышению урожайности яровой пшеницы и осуществлять прогнозирование урожайности.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в журналах "Агрохимия" (1997), "Почвоведение" (1998), Вестник ТюмГУ (1998), в научных трудах Уральской ГСХА (1998), в тезисах региональных совещаний и конференций (1996, 1998). Результаты исследований доложены и обсуждены на научно-методических и научно-практических конференциях в Тюмени и в Кургане.

Публикации. По итогам исследований автором опубликовано 6 печатных работ.

Аннотация работы. Для написания работы использованы результаты многолетних опытов кафедры земледелия Тюменского СХИ (1977 - 1990 гг.), проведенных в северной лесостепи Западной Сибири (в границах Тюменской области). Предметом исследований была система " почва - урожай ". Работа выполнена в соответствии с тематическим планом по региональной научно-технической программе " Формирование и развитие продовольственного сектора Тюменской области". Раздел "Моделирование и оценка плодородия почв Тюменской области в современных агроландшафтах

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, предложений производству, списка литературы и приложений. Текстовая часть изложена на 165 страницах и содержит 25 таблиц, 7 рисунков. Список литературы включает 303 наименования, из них 20 - на иностранных языках.

За оказанную помощь при обсуждении методики исследований и подготовки рукописи к защите автор выражает искреннюю признательность руководителю - доктору сельскохозяйственных наук, профессору Н.В. Абрамову, за участие в проведении комплексных исследований автор благодарит доктора сельскохозяйственных наук, профессора В.А. Федоткина, кандидатов сельскохозяйственных наук Р.Т. Золототрубову, Т.В. Деулину, зав. лабораторией почвенных анализов Н.Г. Петрову, а также студентов-дипломников.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА

Начало возделывания человеком растений и использование растениеводческой продукции уходит в глубокую древность. Рост потребностей людей, развитие промышленности требовало непрерывного и возрастающего производства растениеводческой продукции. Решение вопроса увеличения производства зерна до 1В в. сводилось преимущественно к распашке новых земель. В 18 в. эта задача решалась также путем обработки земли более интенсивными методами на освоенных сельскохозяйственных угодьях. При обработке освоенных земель требовалось проведение научных изысканий средств и методов повышения урожайности полей, совершенствования старой паровой системы земледелия или переход к новым, более совершенным системам земледелия.

Первым кто занялся поисками ответов на эти вопросы был А.Т. Болотов (1770). В 19 в. агрономическая наука получила дальнейшее развитие в трудах русских ученых A.B. Советова (1950), Д.И. Менделеева (1954 ), П.А. Костычева (1951), В.В. Докучаева (1954), Ф.И. Стебута (1956), А.Н. Энгельгардта (1960) и др.

Моделирование возникло в 18-19 вв., в эпоху расцвета теоретической механики и механистических представлений в биологии. В 50-х годах 19 в. немецкий ученый Юстус Либих впервые сформулировал закон минимума. Он считал, что рост урожая прямо пропорционален увеличению количества фактора, находящегося в минимуме (Земледелие, 1991), то есть

Y = АХ,

Y - урожай; X - напряжение фактора; А - коэффициент пропорциональности для данного фактора.

В настоящее время для изучения зависимости урожайности сельскохозяйственных культур с определяющими его факторами с целью разработки мероприятий по повышению продуктивности растений используют различные агрономические методы. Среди этих методов основным является полевой опыт (Б.А. Доспехов, 1985). В последние годы полевые опытные исследования по

изучению связей урожайности от факторов, влияющих на его уровень, идут по пути постановки сложных многофакторных опытов (З.А. Прохорова, A.C. Фрид, 1993; Математическое ..., 1988; Моделирование ...,1988 и др.).

Благоприятные агрофизические, агрохимические, биологические свойства и режимы почв являются непременными условиями получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. В работах В.П. Балиева (1914), А.И. Шевлягина (1955), Н.Т. Вороновой (1961), С.С. Сдобникова (1964), A.M. Ситникова (1965), В.А. Юферова (1965), В.А. Федоткина (1968), В.Ф. Трушина (1969), Н.З. Милащенко (1977), Н.И. Фольмера (1978), П.И. Кузнецова (1989), Ю.Б. Мощенко (1990), А.Ф. Неклюдова (1990), В.Г. Холмова (1990), Н.В. Абрамова (1992) и др. исследованы многие почвенные процессы при различных воздействиях (механические, химические и др.) на плодородие почв Западной Сибири. Так, М.З. Журавлевым (1937,1940,1941,1951,1955,1958) изучены статьи прихода и расхода влаги в черноземной почве Западной Сибири и разработаны рекомендации по накоплению, сбережению и рациональному ее расходованию посевами в разных полях севооборота. В.Н. Слесаревым (1984) детально исследованы процессы деформации почвы в зависимости от состояния увлажнения, температурного режима, структурного состояния почвы и т.п.

Для различных типов почв и сельскохозяйственных культур установлены показатели оптимальной плотности почвы (И. Б. Ревут, 1972; J1. С. Роктанен, 1973; Т. Т. Вилесов, 1975; С. А. Наумов, 1979; И. П. Котоврасов, 1979; А. М. Ситников, 1980; S. Negi, Е. Mekyes, G. Raghavan, 1981; В. Н. Слесарев, 1984; К. Jaggard, 1984; А. И. Пупонин, 1984; А. И. Пупонин, Б.Д. Кирюшин, 1989; Г. И. Казаков, 1990 и др.). Оптимальная плотность выщелоченного тяжелосуглинистого чернозема для яровой пшеницы и кукурузы, установленная А. И. Шевля-

•Э о

гиным (1966), находится в пределах 1,0-1,2 г/см , для ячменя - 1,2-1,3 г/см . По данным С. С. Сдобникова, В. И. Беспамятного (1970) оптимальная плотность для яровой пшеницы на южном карбонатном среднесуглинистом черноземе опытного поля ВНИИЗХ равняется 1,2 г/см . В. Ф. Трушиным и Э.Ф Крыловым

(1990) установлено, что оптимальная плотность чернозема оподзоленного для

о

большинства возделываемых культур составляет 1,20-1,26 г/см . Оптимальная плотность чернозема выщелоченного для пшеницы, по данным Н. В. Абрамова (1992), составляет 1,01-1,17, для ячменя - 1,22-1,27 г/см3, оптимальная плотность темно-серой лесной почвы для пшеницы равняется - 1,05-1,23 , для ячменя - 1,22-1,29 г/см3.

Определены градации водопрочной структуры почвы (В.Р. Вильяме, 1949 и др.). Для различных сельскохозяйственных культур определены шкалы обеспеченности почв влагой (А. Ф. Вадюнина, 3. А. Корчагина, 1986; А. Ф. Неклюдов, 1990 и др.), азотом (А. Е. Кочергин, Г. П. Гамзиков, 1972; Г. П. Гамзи-ков, 1981), фосфором (Ю. И. Ермохин, А. Е. Кочергин, 1983 ) и др. Установлено, что содержание продуктивной влаги в слое почвы 0-100 см можно оценивать по следующей шкале: более 160 мм - очень хорошее, 160-130 мм - хорошее, 130-90 мм - удовлетворительное, 90-60 мм - плохое, менее 60 мм - очень плохое (А. Ф. Вадюнина, 3. А. Корчагина, 1986). В период всходов и кущения запасы влаги в пахотном слое менее 10 мм - низкие, менее 20 мм - удовлетворительные, 20-40 мм - оптимальные, 50 мм и более - избыточные (А.Ф. Неклюдов, 1990). А в метровом слое соответственно: 50, 80-100 и 100-150 мм.

Содержание нитратного азота в слое почвы 0-40 см оценивается по следующей шкале (Ф. Е. Кочергин, Г. П. Гамзиков, 1972): очень низкое - менее 5 мг/кг , низкое - 5-10 мг/кг, среднее - 10-15 мг/кг, высокое - более 15 мг/кг. Однако при определении оптимальных параметров плодородия почвы, а также шкал увлажнения, обеспеченности почв питательными веществами и др. не учитывается совокупное влияние факторов на плодородие почвы. Для некоторых параметров плодородия почвы не ясно также в какой период вегетации растений соответствуют установленные шкалы.

При исследовании влияния параметров плодородия почвы на продуктивность растений и прогнозировании урожайности используются различные формулы. Так, для расчета величины возможного урожая (Г, т/га) от запасов

продуктивной влаги в почве используют выражение (Н.Ф. Бондаренко, Е.Е. Жуковский, 1978):

Y = a + bWc,

а и Ъ - статистические коэффициенты, определяемые опытным путем в конкретных условиях; Wc - запасы продуктивной влаги в корнеобитаемом слое почвы, м3 /га.

Действительно возможный урожай биомассы в зависимости от влаго-обеспеченности посевов определяют по формуле (М.К. Каюмов, 1977):

=100-FT

К. '

Yde - действительно возможный урожай абсолютно сухой биомассы, ц/га; W -запасы продуктивной влаги, мм; Кв - коэффициент водопотребления, мм га/ц.

Потенциальная урожайность, обеспечиваемая взаимодействием ресурсов тепла и увлажнения (Yet, т/га), определяется по гидротермическому потенциалу продуктивности (ГТП) в соответствии с эмпирической формулой A.M. Рябчи-кова (1968):

Yet = 2,2/777 -1.

Для оценки влагообеспеченности растений ученые предлагают коэффициенты: увлажнения, гидротермический, сухости и др. Потребность растений во влаге рассчитывают по уравнению (A.M. Алпатьев, 1954):

^d - сумма дефицитов влажности воздуха за вегетационный период, миллибар (мб); / - эмпирический коэффициент, зависящий от условий местности, биологических особенностей растений, фазы вегетации.

В качестве функции изменения урожая водным дефицитом используют соотношение (Х.Г. Тооминг, 1977):

F = Е: Е0,

F - функция изменения урожая водным дефицитом (коэффициент почвенно-атмосферного увлажнения); Е - суммарное испарение, мм; Е0 - испаряемость, мм.

Возможный урожай биомассы, обеспечиваемый ресурсами влаги, (УЕ, т/га), можно определить по выражению (A.C. Образцов, 1990):

YE = YQtF,

YQt - потенциальный урожай, обеспечиваемый ресурсами света, тепла и плодородия почвы при оптимальном увлажнении, т/га.

Для расчета потенциальной урожайности используют также и другие формулы (A.A. Ничипорович, 1956; Д.И. Шашко, 1967 и др.).

В ряде работ при определении связи урожайности культурных растений с параметрами плодородия почвы используют корреляционный анализ (Г.С. Липкина, 1988; Н.В. Абрамов, 1992 и др.). В условиях Красноярской лесостепи проведены исследования по изучению влияния содержания и состава гумуса чернозема выщелоченного среднегумусного среднесуглинистого на урожайность яровой пшеницы (A.A. Шпедт, 1997). Установлено, что между урожаем яровой пшеницы и общим содержанием гумуса отмечена слабая зависимость (г=0,28). Связь между продуктивностью яровой пшеницы и содержанием в почве подвижных гумусовых веществ, определяемых в 0,2 н. NaOH - вытяжке характеризуется как сильная ( г=0,71). То же самое относится и к оптической плотности 0,2 н. щелочной вытяжке. В результате предложено использовать содержание в почве подвижных гумусовых веществ и оптическую плотность 0,2 н. NaOH - вытяжки для характеристики эффективного плодородия.

При изучении влияния свойств почвы на урожайность культурных растений используют как достаточно медленно изменяющиеся так и более лабильные параметры плодородия почвы.

Для исследования зависимости урожайн�