CC BY
111
УДК 631.41
Виталий Савич,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева, Виктор Сычев,
академик РАН, доктор сельскохозяйственных наук, директор Всероссийского научно-исследовательского института агрохимии имени Д.Н. Прянишникова, Петр Балабко,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Виктор Гукалов,
аспирант Кубанского государственного аграрного университета
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СИСТЕМ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
<хк>о<><>о<><х><><><><><><>о<><>о<><х^
Систематизированы принципы энергетической оценки систем земледелия. На полученных экспериментальных данных показана целесообразность энергетической оценки плодородия почв. Для достижения высокой энергетической эффективности систем земледелия подтверждена необходимость оптимизации всех составляющих систем земледелия с учетом оптимизации свойств, процессов и режимов почв, использования принципов адаптивно-ландшафтных систем земледелия, при учете потоков вещества, энергии и информации в агроландшафтах.
S u m m a r y
Principles of the energy estimation of farming systems have been systematized in the work. Advisability of the energy estimation of soil fertility is shown by the findings. It is confirmed that all the farming system components have to be optimized in order to achieve high energetic efficiency of farming systems. It has to be done in consideration of the optimization of soil characteristics, processes and conditions, applying the principles of adaptive-landscape farming systems, allowing for the flow of materials, energy and information in agrolandscapes.
Ключевые слова: эффективность земледелия, урожай сельскохозяйственных культур, энергетическая оценка почв, процессов, системы земледелия.
Keywords: efficiency of the farming, yields of agricultural crops, energy estimation of soil, processes, farming systems.
• • •
В отдельные исторические периоды и в отдельных странах и регионах наблюдается дефицит почв, воды, энергии, трудовых ресурсов, инвестиций, основных и производственных фондов. Это сопровождается недостаточным развитием науки и технологий, недостаточной квалификацией работников.
Все вышеизложенное определяет невысокий урожай сельскохозяйственных культур, низкую эффективность принятых систем земледелия. Одним из важных аспектов этой проблемы является энергетическая оценка систем земледелия, которая на более низких иерархических уровнях рассматривается как совокупность энергетической оценки почв [4], почвообразовательных процессов [2], плодородия почв [9], применения удобрений и агротехно-логий [1], выращивания сельскохозяйственных культур [3, 7, 10].
С нашей точки зрения, основными задачами энергетической оценки систем земледелия являются максимальное использование энергии солнечного света (ФАР), максимальное использование антропогенно затраченной энергии (в урожае, в севообороте для разных видов и сортов культур) для повышения плодородия почв с учетом экологической и экономической целесообразности для всех компонентов ландшафта.
Это достигается:
• максимальной степенью оптимизации всех звеньев систем земледелия;
• максимальным использованием принципов адаптивно-ландшафтного земледелия;
• оптимизацией интенсивности развития почвообразовательных процессов;
• использованием растениями биофильных элементов из подпахотных слоев почв, водной и воздушной среды;
• уменьшением потерь вещества, энергии и информации из почв и растений в водную и воздушную среды;
• использованием принципов информационно-энергетической оценки плодородия почв;
• разработкой приемов по уменьшению степени проявления закона убывающей отдачи при увеличении интенсификации сельскохозяйственного производства.
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы Московской области на покровных суглинках опытных полей кафедры растениеводства Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева (опыт академика И.С. Шатилова) и для сравнения - карбонатные черноземы Краснодарского края.
Оценивалась урожайность культур и энергетические показатели в системе почва-растение в звене 7-польного полевого севооборота на дерново-подзолистых почвах, свойства почв и урожайность культур в 6-польном севообороте на черноземе [5, 6].
Международный сельскохозяйственный журнал
Таблица 1
Баланс Р1, Р, К в звене полевого севооборота в дерново-подзолистой хорошо окультуренной почве и содержание подвижных форм этих элементов за 40-летний период
Показатели Баланс Содержание подвижных форм *
исходные через 40 лет
N,»/0 -17,8 0,22 0,20
Р, мг/100 г -11,8 30 20
К, мг/100 г -60,8 18 17
рН 5,9 5,9
*) валовое содержание азота, подвижного фосфора и обменного калия.
Методика исследования состояла в определении физико-химических, агрохимических свойств почв и урожайности общепринятыми методами в расчете баланса биофильных элементов в почвах с учетом внесения их с удобрениями, выноса с урожаем, потерь за счет испарения и транспирации в воздушную среду, потерь с миграцией в водную среду [6]. Энергетическая оценка проводилась с использованием данных по теплоте сгорания биомасс растений [9].
При поглощении растениями энергии солнечного света часть ее аккумулируется в урожае. Другая часть расходуется на поглощение воды, биофильных элементов из почв, на проникновение корней через плотную почву и на обеспечение себя другими факторами жизни, связанными с почвой. Чем меньше энергии растения на это потратят, тем больше энергии солнечного света и антропогенной энергии они аккумулируют в урожае. Это соответствует и большей энергетической оценке плодородия почв.
Затраты растениями на поглощение необходимых им элементов питания определяются прочностью связи элементов с твердой фазой почв (от 5 до 100 ккал/г-ион) и количеством потребляемых элементов.
Прочность связи пропорциональна произведениям растворимости имеющихся в почве осадков, константам устойчивости комплексных соединений и константам ионного обмена ДG = ^ТНпК, где К - константа равновесия [9]. Аналогичным образом рассчитываются затраты растений на потребление воды, проникновение корней через твердую фазу почв и т.д.
Для повышения энергетической эффективности систем земледелия необходимо дифференцировать оптимумы свойств, процессов и режимов почв для определенных севооборотов, видов и сортов растений, определенного уровня интенсификации сельскохозяйственного производства.
Получение высоких урожаев определяется не только содержанием подвижных форм элементов питания в почвах, но и скоростью перехода их из почвы в раствор, прочностью связи, депонирующей способностью почв, изменением этих показателей во времени и в пространстве. Так, например, по полученным нами данным, урожайность кукурузы (У) на черноземе зависела от содержания гумуса (Г), общего азота подвижных форм Р2О5 (Р), пористости (П), коэффициента структурности (КС) и полной влагоемкости (ПВ).
У = -377,7 + 18,9(Г) - 83,7^) +0,23(Р) - 2,0(КС) + 13,2(П) -6,2(ПВ), где г = 0,99; F = 19,2, то есть в данных условиях урожайность в большей степени зависела от содержания органического вещества и пористости почв.
В почве должно быть сочетание аэробных и анаэробных условий, что определяет доступность отдельных элементов, минерализации и сохранения органического вещества и т.д. Это и определяет положительную роль агрономически ценной структуры почв. При этом для разных почв и условий оптимумы рассма-
триваемых соотношений изменяются. Оптимизация свойств почв определяется оптимизацией почвенных процессов и режимов, скорости и интенсивности протекающих почвообразовательных процессов.
Пожнивные остатки растений и их корневой опад, попадая в почву, частично разлагаются с образованием более низкомолекулярных соединений и минерализуются. Освободившаяся при этом энергия расходуется на образование более сложных органических соединений, вторичных минералов, на изменение свойств почв и почвенного профиля.
Развитие дернового процесса почвообразования приводит к переносу части биофильных элементов из нижних слоев почв в верхние. При этом из-за большей массы корней в верхнем слое, усиливается процесс биохимического выветривания. По полученным нами данным, развитие этих процессов на дерново-подзолистых почвах привело к стабилизации рН, содержания подвижных форм кальция, фосфора, калия в верхнем слое почв, несмотря на отрицательный баланс по этим элементам в полевом севообороте за 40 лет выращивания культур (табл. 1).
Важным фактором повышения энергетической эффективности систем земледелия является достижение максимально возможного КПД использования растениями антропогенно затраченной энергии как при обработке почв, так и при внесении удобрений и мелиорантов. Это достигается оптимальным, а не избыточным внесением удобрений, учетом соотношения и взаимовлияния почв, прогнозом взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой.
На плодородной почве и при высокой степени оптимизации всех звеньев систем земледелия КПД использования ФАР достигает 3-5%, а на бедных почвах - 1%. Одним из условий повышения энергетической эффективности систем земледелия является достижение использования растениями плодородия не только пахотного, но и подпахотных горизонтов. Это достигается созданием достаточного количества биофильных элементов в этих слоях и обеспечением условий для глубокого проникновения корней в нижние горизонты почвенного профиля, созданием более мощного гумусового слоя, обеспечением условий для развития дернового процесса почвообразования.
Проведенными исследованиями выяснены закономерности изменения содержания биофильных элементов и распространения корней в отдельных горизонтах дерново-подзолистых и черноземных почв.
Для определенной степени оптимизации всех звеньев систем земледелия оптимальна и конкретная степень окультуривания почв. Как видно из данных таблицы 2, в большей степени от окультуренности зависела биомасса озимой пшеницы и в меньшей - фитомасса викоовсяной смеси и овса.
Окультуренность почв влияет и на интенсивное развитие под отдельными культурами дернового процесса почвообразова-
№ 5/2015
Таблица 2
Накопление солнечной энергии в фитомассе культур полевого севооборота в зависимости от окультуренности дерново-подзолистой почвы (У = А + ВХ)
Культура Коэффициенты регрессии Индекс корреляции
А В
Викоовсяная смесь 9,8 од 0,28
Озимая пшеница 3,9 0,4 0,53
Овес 15,7 0,2 0,30
Таблица 3
Энергетическая эффективность выращивания озимой пшеницы и многолетних трав на дерново-подзолистых почвах разного уровня плодородия, ккал/га-10б
Уровень плодородия Культура Отчуждение с урожаем Поступление в почву
ОК, Пшеница 10,6 6,8
Травы 1-го года 24,1 20,7
ОК3 Пшеница 55,2 одинаковое количество
Травы 1-го года 44,3
Таблица 4
Содержание сухого вещества фитомассы на дерново-подзолистых среднеокультуренных почвах в зависимости от доз удобрений, ц/га
Вариант Викоовсяная смесь Озимая пшеница Картофель Яровые зерновые
Без удобрений 23,2/12,1 64,1/37,3 33,5/25,0 37,9/20,5
На 2% ФАР 34,0/22,5 82,4/52,8 47,5/38,4 54,5/34,2
На 3% ФАР 36,5/24,7 21,7/56,5 49,4/44,1 56,7/38,4
ния. Так, на слабоокультуренной и хорошо окультуренной дерново-подзолистой почве без внесения удобрений поступление в почву углерода с урожаем составляло для озимой пшеницы 15,2 и 24,1 ц/га, а для ячменя - 9,9 и 10,6; для трав 2-го года пользования - 21,9 и 29,5 ц/га, то есть степень окультуренности больше влияла на поступление углерода в почву под пшеницей, чем под другими культурами. Это подтверждается и расчетом энергетической эффективности выращивания сельскохозяйственных культур на изучаемых почвах (табл. 3).
Таким образом, на слабоокультуренной почве более выгодно, с энергетической точки зрения, выращивание многолетних трав, а на хорошо окультуренной - пшеницы.
По полученным данным, достаточная степень окультурен-ности почв определяется реально возможным урожаем на этих почвах с учетом степени оптимизации всех звеньев систем земледелия. Это подтверждается следующими данными для опыта кафедры растениеводства РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева на дерново-подзолистых почвах Московской области.
Как видно из данных таблицы 4, увеличение доз удобрений для получения урожая, обусловленного использованием 2% ФАР, до доз удобрений для получения урожая при использовании растениями 3% ФАР почти не изменило количество сухого вещества фитомассы как отчужденной с поля, так и поступающей в почву.
Окультуривание почв не только повышает урожай выращиваемых культур, но и уменьшает степень риска падения урожая при экстремальных погодных условиях (табл. 5).
Как видно из данных таблицы 5, с увеличением окультуренно-
14
сти и удобренности почв уменьшается риск падения урожая при неблагоприятных погодных условиях. Риск (%) = [(0-Хтт): 0]Ч00, где 0 - средняя урожайность за 30 лет. В большей степени это проявляется для картофеля, в меньшей - для овса и многолетних трав.
Существенный вклад в энергетическую оценку систем земледелия вносит миграция биофильных элементов из почв в поверхностные и грунтовые воды. Как видно из данных таблицы 6, с увеличением степени окультуренности почв значительно увеличивается вынос из почв с водами N-N0^, К, Са и уменьшается вынос Р205 в связи с более нейтральной реакцией среды и увеличением сорбционной емкости почв.
При этом потери элементов питания из почв с поверхностными и фильтрующимися водами существенно отличались под разными сельскохозяйственными культурами. Так, на слабоокульту-ренной почве под травами 2-го года пользования потери N03 с верховодкой и грунтовыми водами составляли 1,6 и 0,7 кг/га, а под картофелем - 5,4 и 6,7 кг/га в год. На хорошо окультуренной почве под травами 2-го года - 5,5 и 2,2 кг/га, а под картофелем -33,6 и 13,8 кг/га.
Определенный вклад в энергетическую оценку выращивания сельскохозяйственных культур вносят выделение биофильных элементов почвами и растениями в воздушную среду и поглощение их из воздушной среды. По полученным нами данным, содержание элементов в продуктах транспирации из растений составляло: Fe - 0,04 мг/л; Си - 0,04; Zn - 0,03; К - 0,01; Са -0,1-0,2; NH4 - 0,1-0,3 мг/л. Содержание элементов в испарениях
Международный сельскохозяйственный журнал
Таблица 5
Риски уменьшения урожайности сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах при неблагоприятных погодных условиях (биопродуктивность 0 млн ккал/га), %
Культура Степень окультуренности
ОК! ОКз+ТЧРК на 2% ФАР
риск, % биопродуктивность риск, % биопродуктивность
Травы 2-го года 44,7 36,9 37,8 77,7
Картофель 73,3 20,2 53,4 41,6
Овес 79,9 23,4 69,2 42,2
Таблица 6
Вынос химических веществ из дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности верховодкой и грунтовыми водами, кг/га
Степень Воды N-N03 р205 К Са
окультуренности
ОК1 Верховодка 3,7 0,3 2,1 6,1
Грунтовые воды 3,0 0,2 2,5 19,4
ОК3 Верховодка 16,0 ОД 5,6 46,7
Грунтовые воды 5,8 0,1 3,6 44,1
из почв составляло 0,01п мг/л, увеличиваясь с возрастанием удобренное™ почв.
По литературным данным [8], общие потери с транспирацией из растений достигали по К - 0,4%, по Nа - 10 (до -4%), по Мд -10% от общего содержания в растениях. При этом потери азота достигали 30%.
Проведенные исследования показали возможность поглощения растениями биофильных элементов, а, следовательно, и энергии из воздушной среды. Поглощение аммиака листовой поверхностью кукурузы составляло 10-60 кг аммиака, усвоенного из воздуха, за всю вегетацию на 1 га. В литературе указывается величина листового поглощения биофильных элементов растениями до 60% от массы находящихся в воздухе веществ за период вегетации.
Таким образом, энергетическая эффективность систем земледелия в значительной степени обусловлена эффективностью выполнения почвами своих экологических функций, надежностью их выполнения.
Одной из целей энергетической оценки систем земледелия является достижение максимального использования растениями энергии солнечного света, максимального КПД использования ими ФАР. Это определяется максимальной степенью оптимизации всех звеньев систем земледелия.
В системе агроландшафта аккумуляция энергии солнечного света и антропогенно затраченной энергии происходит во всех компонентах ландшафта. При этом, с точки зрения агрономии, наибольшее значение имеет аккумуляция энергии в почве и в урожае. Это определяется изменением свободной энергии ДG, энтальпии ДН и энтропии ДS в процессе сельскохозяйственного использования почв.
Энергетическая эффективность систем земледелия определяется энергетической оценкой плодородия почв [9], затратами энергии на производство и внесение удобрений, на обработку почв и количеством энергии, аккумулированной в урожае [3, 7], количеством энергии, аккумулированной в биоте почв, в органической и минеральной части почв [2, 4].
С нашей точки зрения, энергетическая оценка систем земледелия должна дополнительно определяться КПД использования растениями ФАР и антропогенно затраченной энергии с учетом экологических и экономических ограничений, в том числе степени уменьшения проявления закона убывающей отдачи при увеличении интенсификации сельскохозяйственного производства.
№ 5/2015
Для повышения энергетической эффективности систем земледелия перспективно применение энергоемких удобрений, активаторов энергетических циклов в почве и в растениях, создание условий для активизации дернового процесса почвообразования, для использования биофильных элементов из подпахотных слоев почв, для уменьшения потерь элементов питания в водную и воздушную среды, для поглощения биофильных элементов из воздушной среды.
Максимально возможный урожай обусловлен приходом на поверхность фотосинтетически активной радиации за период биологической активности почв, количеством доступной влаги и должен быть обеспечен оптимальным сочетанием свойств, процессов и режимов почв, в том числе достаточным количеством элементов питания, удерживаемых в корнеобитаемом слое почв.
Литература
1. Булаткин А.Г. Энергетические аспекты воспроизводства почвенного плодородия // Вестник сельскохозяйственной науки. 1987. № 1.
2. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. М.: Наука, 1977.
3. Володин В.М. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. М.: ЦИНАО, 2000. 336 с.
4. Герайзаде А.П. Преобразование энергии в системе почва -растение - атмосфера: автореф. дис. ... д-ра наук. М., 1988. 31 с.
5. Гукалов В.Н., Савич В.И., Белюченко И.С. Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в компонентах агроландшафта. М.: РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2015. 400 с.
6. Замараев А.Г., Савич В.И., Сычев В.Г. и др. Энергомассооб-мен в звене полевого севооборота. Ч. 2. М.: ВНИИА, 2005. 336 с.
7. Коринец В.В. Солнечная радиация и плодородие почвы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 167 с.
8. Панов Н.П., Савич В.И. и др. Экологически и экономически обоснованные модели плодородия почв. М.: РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2014. 380 с.
9. Савич В.И., Сычев В.Г., Замараев А.Г. Энергетическая оценка плодородия почв. М.: ВНИИА, 2001. 273 с.
10. Свентицкий И.И. Биоэнергетические основы оценки плодородия земель // Вестник сельскохозяйственной науки. 1981. № 2. С. 32-38.
15
