Delist.ru

Экспериментально-теоретические основы использования потоковой структуры агроэкосистем в прецизионном земледелии (19.08.2007)

Автор: Лопачев Николай Андреевич

- использовать тематические потоковые карты комплексной оценки агроэкосистем дает возможность разработать и освоить прецизионные системы земледелия на количественной основе;

- для развития прецизионных систем земледелия необходимо определить перспективные территории с помощью средне- и крупномасштабных потоковых карт (пластики рельефа, почвенной, геологической, мелиоративной и др.);

- использование крупномасштабных и детальных потоковых агроландшафтных карт заменит техноцистский подход при проектировании и управлении технологическими процессами прецизионного земледелия;

- при использовании для создания прецизионного земледелия существующих экспериментальных, полевых и картографических данных они должны быть интерпретированы или получены на основе потоковой методологии.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы Орловским областным управлением сельского хозяйства и Гипроземом, хозяйствами различных форм собственности Орловской, Тульской, Московской, Курской, Брянской, Белгородской и др. областей РФ. Используются в учебном процессе различными сельскохозяйственными учебными заведениями. Внедрено в научно-производственном предприятии «Агроэкология» (Московская область), учхозе «Лавровский» (Орловская область), ООО «Сахар-Кристалл» (Брянская область) и др.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и получили одобрение на Международных конференциях: Брянск, 1998; Орел, 1998, 1999, 2000, 2001; Йошкар-Ола, 1998; Жодино (Беларусь), 1998; Горки (Беларусь), 2001; Белгород 2003; на Всесоюзной конференции, г. Пущино, 1977; на Всероссийских конференциях: Москва, 1999, 2001; Орел, 1999, 2001, 2003, 2006; Белгород, 2001; Ставрополь, 2005; на региональных конференциях: Орел, 1988, 1995, 1997, 2003, 2004; Рязань, 1998; Брянск, 2001; Пущино, 2001; на выездных заседаниях Президиума РАСХН (г. Орел), 2001, 2002; на годичных сессиях ВИУА- 1999, 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 90 научных работ, в том числе 5 монографий и учебных пособий (в соавторстве), 7 методических рекомендаций (в соавторстве), получено 4 патента РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 370 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, рекомендаций производству, списка использованной литературы из наименований, и приложений, иллюстрирована 31 таблицей, 81 рисунком.

Автор благодарит всех преподавателей, аспирантов и студентов факультета агробизнеса и экологии ОрелГАУ, сотрудников которые помогали проводить трудоемкие и тонкие исследования по данной теме, ИФХБПП, ИБП РАН (г. Пущино), ВНИИЗБК (г. Орел) и Владимирского НИИСХ РАСХН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние проблемы (краткий аналитический обзор)

Анализ достижений земледелия показывает, что стремление человечества сделать его точной наукой начинается в ХV111 в. основоположником отечественной научной агрономии А.Т. Болотовым (1988). Дальнейшее развитие данная концепция с качественной стороны получило в работах Ю. Либиха (1940); В.В. Докучаева (1909); Г.Н. Высоцкого (1906); С.А. Захарова (1911); В.П. Мосолова (1949); А.С. Козьменко (1963); В.М. Фридланда (1983); В.В. Бердникова (1976); С.С. Неуструева (1977); D. Furley (971) Р. Vaalon, и др, (971) А.Дж. Джерарда. (884) Дж. Фортескъю (9854) В.Е Явтушенко и др. (1994); М.Х. Ширинян и др. (2000) и др. Огромный вклад ученых в развитие земледелия при смене парадигм сельского хозяйства в ХХ в. без точных количественных знаний привел к несостоятельности главной его догмы, в соответствии с которой «законы природы чужды интересам человека» (Булгаков, 1990). А.А. Жученко (2004 – С. 954) отметил «Отсутствие интегрированной оценки последствий использования техногенных факторов не только сдерживают переход к адаптивной интенсификации растениеводства, но и не позволяют объективно определить его научные ориентиры». Заложенный в концепцию «высокотехнологического» земледелия техноцистский подход (Личман, 2000; Покровская, 2002) без новых научных ориентиров и методологии их реализации не решает многие проблемы.

Начало точных (прецизионных) технологий возделывания моноагрофитоценозов (кукурузы, сои) положено США в 1988 году путем создания карт урожайности с помощью геоинформационной сети (ГИС) NAVSTAR – GPS, аналог в России GLONAS. На их основе проводили элиминирование продуктивности агроэкосистем (перераспределение удобрений, норм высева и т д.). Эти технологии возделывания монокультур в 1999 году конгрессом США названы «высокотехнологическим» земледелием. В Европе они получили распространение под названием высокоточного (прецизионного) земледелия. Такое техноцистское земледелие без новой научной основы и методологии развития существенно снижает его потенциальные возможности и может привести к системным ошибкам. В работах (Жученко, 2004; Кирюшина, 2005; Каштанова, 2006) и других ученых неоднократно отмечается, что создание прецизионных систем земледелия возможно на основе точных знаний дифференциации структуры почвенного покрова (главного орудия и средства производства растениеводческой продукции) в пространстве и методов их картографического отображения. Поэтому попытки создания прецизионного земледелия на базе догмы ХХ в.- изотропность и однородность элементарных почвенных ареалов (ЭПА) и традиционных методов их картографического отображения не увенчались успехом.

Для решения этой проблемы Пущинская школа во главе с В.А. Ковдой, И.Н. Степановым впервые разработала методику и дала научное обоснование создания карт пластики рельефа (Степанов, Лопачев и др., 1977), согласно который земная поверхность (геологические формации, ландшафты, почвы и т. д.) представляет единую физико-геометрическую потоковую систему (рис. 1,С). Идея этого метода принадлежит акад. В.Р. Волобуеву (1948). Он впервые предложил делить земную поверхность на повышения и понижения.

Рис.1. Почвенные карты: А – рекогносцировочная и В – детальная (Daniels, Gamble, 1978), С – потоковая (объемном изображении.составленная нами на основе карты пластики рельефа в

На карте (рис. 1,С) сменой цветовой гаммы показана последовательность фазовых переходов свойств почв потоков от репеллера (красный цвет) к аттракторам (желтый цвет). Зеленым цветом выделены вогнутости, в совокупности образующие «подложку», по которой движутся потоки (методика построения дается далее).

Так американскими почвоведами (Daniels, Gamble, 1978) различие в прошлых (рис.1,А) и новых (рис.1,В) контурах почв достигнуто путем детализации, на которую они затратили больше средств и времени, чем мы на карту (рис. 1,С), так как она составлена по определенным законам и поддается компьютеризации. К тому же карта (рис. 1,С) выступает, как средство наблюдения и измерения состояния природных объектов.

Парадигма ХХ1 в. определилась в конце прошлого столетия - биологизация и экологизация сельского хозяйства. Важнейшими задачами ее научного обеспечения в области земледелия являются вопросы агроэкологического, макро-, мезо-, и микрорайонирования территории, необходимые для конструирования высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем. Против пространственной и временной «уравнительности» в агрономических исследованиях 100 лет назад выступали сотрудники Шатиловской опытной сельскохозяйственной станции (Винер, 1906, 1909; Лебедянцев, 1922, 1960 и др.). В то время на Шатиловской опытной станции впервые были созданы карты урожайности полей – научный прототип современного «высокотехнологического» земледелия. Методология пространственной и временной уравнительности в научной агрономии и практической почвенной картографии за последние 80 лет не привела к существенным успехам растениеводства нашей страны. Это обусловлено не только социально-экономическими факторами, но главным образом «уравнительным» подходом в изучении и картографическом отображении структуры почвенного покрова – она представлена однородными и изотропными контурами не взаимосвязанными между собой (рис.1, А). Это привело к искаженным догмам в агрономических исследованиях и методическим шаблонам в их доказательстве. Так не связанное с изучаемыми факторами варьирование агрофитоценозов в полевых исследованиях элиминировали статистическим путем и относили к «ошибкам» или неучтенным факторам опыта (Брокерт, 1926; Перегудов, 1941, 1948; Деревицкий, 1962; Сазанов, 1962; Прянишников, 1965; Молостов, 1966; Доспехов, 1973, 1979, 1985; Моисейченко, Заверюха, Трифонова, 1994 и др.). Естественно, все авторы знали, что неучтенные «ошибки» в первую очередь обусловлены микроструктурой почвенного покрова, но традиционная методология картирования не обеспечивала объективного его отображения. Это главная причина того, что тысячи полевых экспериментов прошлого столетия, выполненных по «уравнительному» принципу и сопровождаемых точнейшими лабораторными анализами так и не привели к созданию точного «адресного для каждой точки пашни» земледелия. Поэтому до настоящего времени данная проблема в мировой науке и практике остается нерешенной. Новые парадигмы не могут строиться на старых догмах и методологиях. Это обстоятельство определило направление нашей работы - разработка научной методологии для создания прецизионного земледелия и ее апробация в полевых исследованиях.

2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1.Объекты исследований

2.1.1. Теоретические исследования. Структура рельефа и закономерности ее влияния на формирование почв, литологию, мелиоративное состояние, фитоценозы изучались автором в творческой группе Пущинского Научного центра РАН с 1975 по 2006 гг. До 1983 г. исследования проводились на территории Срединного региона СССР, а после на Европейской части РФ. На основе этих исследований в 1977 г. была впервые сформулирована методика пластики рельефа (И.Н. Степанов,…Н.А. Лопачев,…и др., 1977) и на ее основе составлена серия областных тематических среднемасштабных карт России. Методика пластики рельефа и тематические среднемасштабные карты послужили основой для разработки потоковой методологии структуры агроландшафтов, которая нами впервые использована для разработки научных основ и практики прецизионного земледелии.

2.1.2. Экспериментальные исследования.. На опытном поле учхоза «Лавровский» ОрелГАУ в 12 км южнее г. Орла проводились полевые опыты с 1984 по 2002 гг. Опытное поле представлено старопахотными землями типичных агроландшафтов центра Среднерусской возвышенности с характерным комплексом почв переходной зоны от лесных к черноземам. Структура рельефа и почвенного покрова территории учхоза «Лавровский» и опытного ноля показаны далее на фрагментах соответствующих тематических потоковых карт М 1:10000 и 1:2000, карты даны в приложении к диссертации.

Выравненность продуктивности, плодородия почв, энергозатрат и других показателей агроценозов по элементам потоковых структур в зависимости от изучаемых факторов (состав культур, основная обработка почвы, системы удобрений и т. д.) изучались в четырехпольных (1984-1989 гг.) и семипольных (1995-2002 гг.) плодосменных полевых севооборотах.

Одновременно с закладкой нашего семипольного полевого севооборота в 1995 г. на опытном поле Владимирского НИИИСХ (г. Суздаль) был заложен семипольный полевой севооборот с органической системой удобрений, результаты которого были интерпретированы с позиций нашей потоковой методологии структуры агроландшафтов (Винокуров 2005, 2006). Поэтому в нашей работе мы так же опираемся на результаты опыта И.Ю. Винокурова.

2.1.3. Полевые исследования. Изучение количественных связей свойств почв с морфометрическими величинами (МВ) рельефа потоковых структур проводились на юге Московской области (окрестности Пущинского научного центра РАН, г. Пущино) на четырех ключевых тестовых участках: «Глебово» -1997г., «Алфертищево» - 1998 г., «ОПС» - 2002 г. «Данки» - 1999 г. (рис. 2).

а б в г

Рис. 2. Ключевые тестовые участки и точки отбора проб: а – «Глебово»; б – «Алфертищево»; в – «ОПС»; г – «Данки». Значения по координатным осям даны в метрах.

Участок «Глебово» (рис. 2,а) размером 384 х 160 м расположен около с. Глебово в средней части склона, ориентированного преимущественно на север, Почва участка среднесуглинистая серая лесная среднесмытая.

Участок «Алфертищево» (рис. 2,б) размером 105 х 40 м находится около д. Алфертищево в 5 км от г. Пущино. Он расположен в месте, где покатый склон переходит в небольшую балку, поросшую лесом. Участок покрыт естественной разнотравно-злаково-бобовой растительностью. Почва - тяжелосуглинистая серая лесная сильно смытая.

Участок «ОПС» (рис. 2,в) размером 48 х 48 м заложен в приводораздельной области Опытной Полевой Станции (ОПС) ИФХБПП РАН г. Пущино совместно с кафедрой физики и мелиорации почв МГУ. Для изучения агропроизводственной группировки пахотных земель по элементам потоковых структур ниже участка «ОПС» был заложен почвенно-геоморфологический профиль длиной 100,5 м. Почвы ОПС старопахотные, преимущественно среднесуглинистые серые лесные с колебаниями мощности гумусового горизонта от 25 до 70 см и разной степени смытости, которые детально охарактеризованы Т.А.Архангельской, Т.А. Худяковым, О.И. Бедриной, А.В. Митусовым (2003).

Участок «Данки» (рис. 2,г) представляет теодолитный ход длинной 1500 м, пересекающий три притальвеговые области в лесном сообществе под углом примерно 45о. Такое направление профиля позволяет отслеживать два механизма аккумуляции одновременно. Он заложен совместно с ВНИИЦ лесресурс (Отчет…, 1999). Почвы участка меняются от дерново-подзолистых до аккумулятивных в притальвеговых областях.

2.2 Методология и методы исследований

Теоретические, экспериментальные и полевые исследования объединены потоковой методологией строения агроландшафта и его элементов. Основой и главным принципом данной методологии является физическое движение почвенно-геологических тел сверху вниз под действием силы гравитации и преобразование их вещества и энергии в этом процессе, и возможность отображения его на карте. При этом изменяется и логика полевых исследований. Главным становится не стремление определить тип, подтип, род или вид почвы, а проследить по направлению движения потоковой структуры преобразование биологического, физико-химического и минералогического почвенного вещества в пространстве и во времени. Зная количественные характеристики этих изменений при современном уровне развития агрохимии, мелиорации, растениеводства и т. д. не создает большой проблемы элиминировать их в пространстве и во времени, что является, в нашем представлении, сущностью прецизионного земледелия л

Потоковая методология включает системный подход, теорию фракталов и диссипативных структур, и метод картографического исследования природы, предложенные К.А. Салищевым (1970), А.М. Берлянтом (1980), В.Н. Филатовым (2005) на математической основе Дж. К. Максвелла (1870), Б.П. Вейнберга (1932), П.К. Соболевского (1932). В нашей работе потоковая методология структуры агроландшафта впервые получила обоснованное применение к запросам теории и практики точного земледелия, вместо сравнительно-географических и системных методологий.

2.2.1. Картографический метод пластики рельефа – основа потоковой методологии. Метод пластики рельефа базируется на главном принципе распределения почв В.В. Докучаева (1949), где самый крупный класс почв определяется местоположением в рельефе - на водоразделах развиваются нормальные почвы, на склонах – переходные, и в понижениях - наносные. Поэтому традиционное картирование агроландшафтов базируется на горизонталях и их первых производных изолиниях – водоразделы и тальвеги.

Наш метод основан на изолиниях нулевой плановой кривизны (рис. 3,С - соединяет красные точки), которые Пущинскими почвоведами названы «морфоизографами». Они геометрически преобразует изолинии равных высот топографических карт в изолинии равной кривизны. Это позволяет выделить на количественной основе «долины» - вогнутости и «наддолины» - повышения (рис. 3).

Рис. 3. Технология создания потоковой модели ландшафта: А – рисунок рельефа; В - изображение рельефа горизонталями 1-6; С - пластика рельефа, морфоизографой отделены поток (закрашен) от вогнутостей; D – поток в объемном изображении и его элементы (R – репеллер, А – аттрактор, b – точка бифуркации, р-р1- плоскость симметрии движения).

Особенность морфоизограф заключается в том, что они с математической точностью выделяют все разнообразие потоковых структур земной поверхности и их элементов (почвы, грунты, растительность и т. д.) при этом континуум горизонталей (рис. 3,В) превращается в дисконтинуум (рис. 3,С,D) агроландшафта. Морфоизографы отделяют наддолины - выпуклости (области дивергенции, расхождения стока) от долин – вогнутостей (области конвергенции, схождения стока).

2.2.2. Полевые экспериментальные исследования. Полевые эксперименты проводились в следующих четырехпольных полевых севооборотах: №1 - черный пар, озимая пшеница, кукуруза, ячмень; №2 - клевер, озимая пшеница, кукуруза, ячмень + клевер: №3 - донник, озимая пшеница, кукуруза, ячмень + донник; №4 - викоовсяная смесь, озимая пшеница, кукуруза, ячмень. В севооборотах применялись следующие системы удобрений: №1 - навоз 10 т/га + сидерат 1,7,5 т/га + N67,5P60K60; №2 - сидерат 1,75т/га + N82,5P75K75; №3 – сидерат 1,7т/га + N71,25P63,75K63,75; №4 - сидерат 1,75т/га + N71,25P63,75K63,75 в год.. Повторность опыта - четырехкратная. Площадь учетной делянки (поля) - 260 м2. Обработку почвы парового поля севооборота №1 проводили согласно «Научных основ систем земледелия в Орловской области» (1981).

В семипольном полевом севообороте - многолетние травы 1-го г. п.; многолетние травы 2-го г. п.; озимая пшеница; гречиха; люпин на зерно; кукуруза на силос; ячмень + многолетние травы. Изучали 2 вида основной обработки почвы: 1 - вспашка под все культуры на глубину 20-22 см, а под кукурузу на 25-27 см; 2 - поверхностная обработка почвы на глубину 8-10 см + вспашка на 20-22 см после мн. трав и под кукурузу на 25-27см.

загрузка...