Delist.ru

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

Автор: Лопачев Николай Андреевич

На фоне двух обработок почвы испытывали следующие системы удобрений: 1– контроль (без удобрений); 2 – N23,7P20,8K20,8; 3- N43,3P36,9K36,9: 4 – N64,3P53,6K53,6: 5 – N0P0K0 + С2,1т/га + ЗУ0,9 т/га; 6 - N23,7P20,8K20,8 + С2,1т/га + ЗУ0,9 т/га: 7 – N43,3P36,9K36,9 + С2,1т/га + ЗУ0,9 т/га 8 – N64,3P53,6 K53,6 + С2,1т/га + ЗУ0,9 т/га: 9 – N0P0K0 + С1,4т/га + ЗУ2,6т/га: 10 – N23,7P20,8 K20,8 С1,4т/га + ЗУ2,6т/га: 11 – N43,3P36,9K36,9 + С1,4т/га + ЗУ2,6т/га: 12 – N64,3P53,6K53,6 + С1,4т/га + ЗУ2,6т/га: 13 – N0P0K0 + С2,1т/га + ЗУ4,3т/га + Н7,1т/га: 14 – N23,7P20,8K20,8 + С2,1т/га + ЗУ4,3т/га + Н7,1т/га: 15 – N43,3P36,9K36,9 + С2,1т/га + ЗУ4,3т/га + Н7,1т/га: 16 – N64,3P3,6K53,6 + С2,1т/га + ЗУ4,3т/га + Н7,1т/га.

Повторность всех вариантов опыта трехкратная, учетная площадь каждой делянки - 150 м2. В экспериментах применяли зональные технологии возделывания и использовали районированные сорта и гибриды полевых культур. Проводились все сопутствующие наблюдения - фенология, густота растений, динамика нарастания биомассы, фотосинтетического аппарата и другие показатели.

Логика прецизионного земледелия требует точечного учета урожая. Поэтому переду сплошной уборкой мы проводили учет урожая по четырем точкам (0,25 м2 каждая), расположенных в непосредственной близости от почвенных разрезов (см. рис. 7,В), что в купе сосставляет физическию точку для изучаемой агроэкосистемы. Затем проводили Учет урожая сплошным способом по Б.А. Доспехову (1985). В почвенных образцах, определяли агрохимические, агрофизические и механические свойства, которые были использованы при составлении потоковых тематических карт опытного участка. Расчет баланса гумуса и питательных веществ в почвах севооборотов проводились по И.Н. Донских (2004). Анализ энергетический эффективности изучаемых факторов в агроэкосистеме по элементам потоковых структур проводили по общепринятым методикам (Коринец, 1989, 1990; Метод. реком.,1989; Михайличенко, 1995 и др.).

2.2.3. Полевые исследования. DEM на «Глебово» (шаг 16 м) и «Алфертищево» (шаг 1 м) получена нивелированием по квадратам, «Данки» (шаг 10 м) и «ОПС» (шаг 4 м) интерполяцией высот топографических карт масштаба 1:10000 и 1:1000 соответственно. Пробы почв отобраны в 146 точках с известной высотой: на «Алфертищево» и «ОПС» внутри выделенной области (см. рис. 2,б,в) по сетке 4х6 (шаг 2 м) и 7х7 (шаг 8 м) соответственно. На «Глебово» по двум профилям с шагом 16 м (рис. 1,а) и «Данках» в точках с нерегулярным шагом (рис. 2,г). Глубина отбора проб составляла: на «Глебово» – 0-20 см, 20-30 см, 30-50 см, «Алфертищево» – 10-20 см, «Данках» – 0-10, 10-20 см и «ОПС» – 10 см.

В почвенных образцах определяли содержание подвижного фосфора по Кирсанову. Содержание органического углерода (Сорг) в образцах «ОПС» определяли сухим сжиганием в токе кислорода, экспресс - анализатором АН-7529 на кафедре физики и мелиорации почв МГУ, с остальных участков – методом бихроматной окисляемости по Аринушкиной (1970). Влажность почвы определяли методом горячей сушки, гранулометрический состав определяли по Качинскому (Вадюнина, Корчагина, 1973). Обменные катионы вытесняли аммонийным ионом ацетата аммония по Шолленбергу (Хитров, Понизовский, 1990). Содержание обменных Сa2+ и Mg2+ определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS – 303M (пламенный вариант) фирмы Перкин Элмер, а К+ и Na+ на пламенном фотометре Flapho – 4 фирмы Карл-Цейс. Содержание нитратного азота (NO3-) и обменного аммония (NH4+) определяли в воздушно-сухой почве по Кудеярову (1969).

Для описания рельефа земной поверхности использовали расширенную систему МВ общей геоморфометрии (Степанов, Шарый, 1991; Shary, 1995; Shary et al., 2002). Между свойствами почв и МВ рассчитаны ранговые коэффициенты корреляции Спирмана (rs), которые отслеживают любые ненотонные зависимости (Поллард, 1982). Ранговая методика была применена в связи с тем, что МВ существенно отклоняются от нормального распределения частот (Martz, de Jong, 1990). При уровне значимости (Р) больше 0,05 rs не рассматривался. Расчет МВ и статистическая обработка результатов исследований была проведена с помощью аналитической географической информационной системы (ГИС) «Эко», разработанной Р. Shary (2001).

3. Потоковая методология в отображении структуры почв агроландшафтов разного уровня

3.1. Специальные потоковые карты среднего масштаба. Составлены карта пластики рельефа в М 1:200 000. а на ее основе геологическая, гидрогеологическая и почвенная, где показано местоположения изучаемых нами объектов исследования (рис. 4).

Рис.4. Фрагмент потоковой почвенной карты Центральной части России и положение объектов исследований, М 1:200000. Легенда общепринятая для данного масштаба.

Общепринятый принцип репрезентативности полевых экспериментов определяет, чтобы они были расположены в пределах интересующих почвенно-климатических зон, подзон и т. д. Потоковая почвенная карта (рис. 4) частично опровергает это мнение. Если следовать принципу нормальных почв В.В. Докучаева, который считал типичными (эталонными) только почвы плоских водоразделов, то их пространственное распределение приурочено к повышениям, имеющих преимущественно меридиональное направление в районе Новгород – Вологда – Кострома - Ярославль. В то же время южнее (Ржев – Москва - Брянск) преобладает широтное направление потоковых структур и приуроченных к ним эталонных почв. Независимо от направления формирования почв они расположены не в виде случайных сплошных полос, а закономерно сформированных древовидных потоков, которые отображают движение почвенно-геологических масс в поле земного тяготения. К тому же независимо от их положения в той или иной биоклиматической зоне они позволяют наблюдать более важное явление – смену почв по направлению движения потоков от верхних точек (репеллеры) к нижним (аттракторы). Такая смена почв ранее отображалась только на вертикальных почвенно-геоморфологических и геохимических профилях: автономные (автоморфные, плакорные, нормальные) – транзитные (переходные) – аккумулятивные (подчиненные) почвы ландшафтов. Теперь на карте (рис.4) такое движение вещества можно проследить в плане. Это преимущество необходимо учитывать при выделении территорий потоковых макро- и мезоструктур для агропроизводственной группировке почв, необходимой при размещении прецизионного земледелия и определения районов распространения результатов экспериментальных и полевых исследований.

3.2. Крупномасштабные карты. Детализация структуры почвенного покрова традиционных крупномасштабных карт (М 1:10000) происходит путем членения более высоких среднемасштабных таксономических выделов на соподчиненные. При этом между таксономическими выделами крупномасштабных карт (рис. 5,А) не прослеживается никаких взаимосвязей, хотя они принадлежат одному из контуров среднемасштабных карт. Естественно, что такая детализация противоречит всякой логике. Детализация крупномасштабных потоковых почвенных карт (рис. 5, В) начинается с вычленения элементов потоковых структур агроландшафтов, точность которых определяется топографической основой на данную территорию. В связи с тем, что распределение почв по элементам рельефа потоковых крупномасштабных карт осуществляется по тем же принципам, что и среднемасштабных, необходимо отметить следующие их особенности:

- почвенные контуры крупномасштабных потоковых карт сохраняют целостность контуров среднемастабных в отличие от традиционных;

- контуры крупномасштабных карт сохраняют общее направление среднемасштабных, так как они связаны общими точками репеллера и аттрактора, изменяют форму контуров в соответствии с воздействием микрорельефа;

- карты М 1:10000 в полном объеме отображают связь формирования почв с мезорельефом и частично с микрорельефом потоковых структур, и являются высокоточной научной основой для внутрихозяйственной организации территории при внедрении точного земледелия.

Рис. 5. Фрагменты почвенных карт учхоза «Лавровский» (М 1:10000), выполненных разными методами: А - традиционным, (Орелгипрозем, 2001); В – потоковым. Обозначения общепринятые для данного масштаба.

Наши потоковые почвенные карты на территорию учхоза «Лавровский», Шатиловской СХОС, Новосильской ЗАГЛОС, Опытной Полевой Станции ИФХБПП РАН и опытного хозяйства Владимирского НИИСХ дают возможность провести объективную агроэкологическую оценку и агропроизводственную группировку пахотных земель для проектирования точных систем земледелия. Пример конкретного использования крупномасштабных потоковых карт для целей мелиорации рассмотрим на примере учхоза «Лавровский» (рис. 6).

Рис. 6. Фрагменты карт фактического размещения дренажной сети - синие линии: А - на топографической основе; В – на карте потоковых структур; С - рекомендуемое размещение - красные линии. М 1:10000, учхоз «Лавровский»,

При проектировании и строительстве дренажной сети в конце 70-х г. НИИ «Орелмелиорация» руководствовался общепринятыми в СССР методическими указаниями и рекомендациями, которые действуют до настоящего времени. Так, дрены построены только параллельно друг другу и через равные расстояния, которые определяются водно-физическими свойствами почв и грунтов (рис. 6,А). Направление дрен задается по топографической основе с равнозначным уклоном их основания. Если существующую дренажную сеть наложить на карту пластики рельефа (рис. 6,В), тогда увидим, что некоторые дрены проложены по повышениям, которые не нужно осушать, так как они имеют оптимальные условия увлажнения почв. Однако негативные последствия наблюдаются на участках, где дренажная сеть пересекает (режет) потоковые структуры и происходит перераспределение стока грунтовых вод. При этом повышается их уровень (УГВ) на возвышениях и практически до почвенного покрова в понижениях, а также на других элементах рельефа потоковых структур. На участках, где дрены построены по понижениям и совпадают с ними по направлению стока, они снижают УГВ до настоящего времени. Подобную работу дрен автор наблюдал при промывках сероземно-луговых засоленных почв Чуйской долины Кирг ССР в 1972-1074 гг., а в последующем на многих мелиоративных системах республик Средней Азии и Казахстана.

Размещение дренажной сети по понижениям потоковых структур (рис. 6,С) усиливает сложившиеся тысячелетиями естественные потоки и помогает самой природе, а не противоречит ей. При этом делают работу дренажной сети более эффективной и удешевляют ее проектирование, что необходимо учитывать при очередной реконструкции дренажной сети на территории учхоза «Лавровский». Но не все вопросы количественного и качественного изменения почвенного вещества, необходимые для создания прецизионного земледелия, можно решить в рамках крупномасштабных тематических потоковых карт

3.3. Использование детальных карт. На фрагменте крупномасштабной карты пластики рельефа учхоза «Лавровский» М 1: 10000 (рис. 7,А) показан наш опытный участок (выделен красной линией), который расположен в зоне дивергенции (диссипации) главного потока. На опытный участок составлены следующие потоковые тематические карты М 1:2000: пластики рельефа, мощности гумусового горизонта, глубины залегания горизонта В, глубины залегания охристого горизонта С и др. На карте (рис. 7,В) показан фрагмент одной из детальных потоковых тематических карт опытного участка и размещение семипольного полевого севооборота, а также повторений (1, 11,

Рис. 7. Отображение опытного участка на потоковых картах разного масштаба (потоки закрашены). А – карта пластики рельефа М 1:10000. В – почвенная карта М 1:2000, содержание гумуса в %.

111). Так, максимальное количество гумуса (6% и более) наблюдаем на водоразделах потоков. От них вниз по склонам потоков происходит снижение содержания гумуса в почвах: 5% - верхняя часть, 4,5% - средняя часть, 4% - нижняя часть и понижения 3,5%. Такие закономерности распределения по элементам потоковых структур наблюдаются в выше упомянутых характеристиках. Они положены в основу экспериментальных и полевых обоснований потоковой методологии прецизионного земледелия.

Следовательно, детальные тематические потоковые карты являются научной основой проектирования прецизионного земледелия и средством его реализации и управления. Электронные варианты детальных тематических потоковых карт обеспечивают создание компьютерных программ по элиминированию почвенного плодородия агроэкосистем на научной количественной основе, а не техноцистским путем, как в зарубежных аналогах «высокотехнологического» земледелия». При этом тематические потоковые карты, как средство управления технологическими процессами прецизионного земледелия (внесение минеральных и органических удобрений, мелиорантов, нормы высева, строительство дренажных сетей и т. д.), наиболее выгодно отличаются от ГИС (NAVSTAR – GPS, GLONAS). а также они могут будут дополнять друг друга.

4. Потоковая методология оценки агроэкосистем

4.1 Продуктивность агроэкосистем при разных методологических подходах. Вне севооборота трудно решать многие задачи земледелия – продуктивность, качество, баланс питательных веществ и гумуса, эрозия почв, почвоутомление и т. д. (Bakthaler 1970; Воробьев, 1979; Аверкин, Витченко, 1980; Лебедь и др., 1988; Гавроньска-Кулеша, Рошак, Швакула, 1985; Рябчикова 1986; Лобков 1994 и др.). Поэтому разработка точных систем земледелия вне севооборотов не имеет перспективы. При этом вопрос включения в севооборот черного пара пока не имеет однозначного решения. Черный пар многие годы рассматривается как фактор повышения плодородия почвы и продуктивности агроэкосистем.

Нами установлено, что самый высокий средний урожай озимой пшеницы - 67,5 ц/га, кукурузы - 432,9 ц/га и ячменя - 41,6 ц/га обеспечил за ротацию севооборот с черным паром, эатем в убывающем порядке идут севообороты с донником, клевером и викоовсяной смесью. Однако при оценке продуктивности севооборотов самая высокая наблюдается с донником, затем с клевером и самая низкая - с черным паром (табл. 1).

Таблица 1. Продуктивность четырехпольных севооборотов по элементам потоковых структур в зависимости от системы удобрений и состава культур, учхоз «Лавровский» 1985 - 1989 гг.

Севообороты Удобрения u - КПЕ ц/га В, %

? umin umac

1. Пар, оз. пшеница, кукуруза, ячмень N270 P240K240+Н40т/га+С 7т/га 183,7 166,1 201,3 80,9

N67,5P60K60+Н10т/га+С1,75т/га 45,9 41,5 50,3

2. Клевер, оз. пшеница, кукуруза, ячмень N285P255K255 + С7т/га 211,8 184,0 239,5 74,6

N71,25 P63,75 K63,75 + С1,75т/га 52,9 46,0 59,9

3. Донник, оз. пшеница, кукуруза, ячмень N285 P255 K255 + С7т/га 237,3 209,7 264,8 78,4

N71,25 P63,75K63,75 +,75т/га 59,3 52,4 66,2

4. Вика-овес, оз. пшеница, кукуруза, ячмень N330P300K300 + С7т/га 190,0 161,5 218,5 72,1

N82,5 P75K75 + С1,75т/га 47,5 40,3 54,6

Примечание. КПЕ - кормопротеиновые единицы. Верхняя строка – за ротацию севооборота, нижняя - за 1 год. ? – средняя продуктивность. umin – на понижениях. umac - на повышениях. В – коэффициент выравненности.

По нашим данным вид основной обработки почвы в семипольном севообороте не оказывает существенного влияния на его продуктивность (табл. 2)

Нами установлено, что продуктивность севооборотов определяется системой удобрений. Самой эффективной в наших опытах была органно-минеральная система удобрений (табл. 2, вар.. 12,15,16), затем минеральная (табл. 2, вар. 2,3,4) и органическая (табл. 2, вар 5,9,13). Показатель выравненности продуктивности севооборотов на контрольных вариантах по элементам потоковых структур достигает 69,8% (табл.2), а в абсолютных величинах флюктуация составляет 63,8 ц/га КПЕ за ротацию, что превышает эффект от изучаемых факторов. Однако в рамках существующих «уравнительных» методологий данную флюктуацию относят к неучтенным факторам (Доспехов 1979, 1985). Это еще раз доказывает не соответствие «уравнительной» методологии потребностям прецизионного земледелия.

Страницы: 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11