CC BY
44
DOI: 10.24411/0044-3913-2019-10502 УДК 631.582
Методика управления вещественно-энергетическими потоками в севооборотах
A.C. АКИМЕНКО, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией (e-mail: [email protected])
Всероссийский научно-
Для цитирования: Акименко А. С. Методика управления вещественно-энергетическими потоками в севооборотах//Земледелие. 2019. № 5. С. 7-10. ЭО!: 10.24411/0044-3913-2019-10502.
// Эрозия почв: проблемы и пути повышения эффективности растениеводства: материалы Междун. науч.-практ. конф. Ульяновск. 2009. С. 21-40.
7. Качинский Н. А. Замерзание, размер-зание и влажность почвы в зимний сезон в лесу и на полевых участках. М.: Изд-во МГУ 1927.168 с.
Influence of a Flow Regulating Forest Belt of Combined Construction with Dwarf Shrubbery on Erosion-Hydrological Processes
A. I. Petelko, A. V. Vypova
Novosil'skaya Zonal Agroforestal Experimental Station - the branch of the Federal Scientific Center of Agro-ecology of the RAS, ul. Semashko, 2a, Mtsensk, Orlovskayaobl., 303035, Russian Federation
Abstract. The investigation was carried out to determine regularities of snow deposition on eroded slopes with dwarf shrubbery in combined flow regulating forest belts for controlling the erosion-hydrological process. The work was carried out in 2017-2018 in a stationary experiment with drain sites in grey forest medium and strongly washed soil on the slope of the southern exposure with a steepness of 3-4 degrees under conditions of the Orel region. The experiment design included following variants: autumn ploughing across the slope without a forest belt (control); autumn ploughing across the slope + a forest belt with Spiraea nipponica; autumn ploughing across the slope + a forest belt with Potentilla fruticosa'Goldfinger'; autumn ploughing across the slope + a forest belt with Spiraea douglasii. The forest belt was four-row, planted in 1960 according to the scheme: birch - poplar -poplar - birch, the distribution was 2.5 m x 1.0 m. The hydrometeorological conditions of the autumn-winter period contributed to the shallow freezing of the soil, which in the drain sites was 10-21 cm before snowmelt in 2017 (in some places the soil was thawed); in 2018 it was 30-45 cm. On average over 2 years of the research, the total reserves of snowwater in the autumn-ploughed field with the flow regulating forest belt and dwarf shrubbery exceeded the control by 11-18 mm. The flow value was very weak(3.1-5.9 mm), the flow coefficient was insignificant (from 0.02 to 0.06). In all variants with the forest belt and shrubbery, water absorption was 7.3-20.5 mm higher than that of autumn-ploughed field without plantings.
Keywords: soil; erosion; snow deposit; frost action; soil moisture; snowmelting;waterabsorp-tion; snow reserves; flow of melted water; dwarf shrubbery; flow regulating forest belt of combined construction.
Autor Details: A. I. Petelko, D. Sc(Agr.), chief research fellow (e-mail: [email protected]); A. V. Vypova, director (e-mail: [email protected]).
For citation: Petelko A. I., Vypova A. V. Influence of a Flow Regulating Forest Belt of Combined Construction with Dwarf Shrubbery on Erosion-Hydrological Processes. Zemle-delie. 2019. No. 5. Pp. 3-7 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-2019-10501.
исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии - структурное подразделение Курского федерального аграрного научного центра ул. К. Маркса, 706, Курск, 305021, Российская Федерация
Цель исследований - на основе результатов многолетних стационарных полевых опытов разработать способы количественной оценки результатов решений по производству заданного количества продукции соответственно специализации сельхозпредприятий при условии воспроизводства плодородия почвы. Установлены зависимости потребления ресурсов для формирования урожая: при расходе посевами 1 мм воды в фитомассе накапливается 0,567ГДж энергии; энергия (в ГДж) фитомассы продукции равна сумме выносов (в кг) %Ы, % Р205, К20; эквивалентная сбору кормовых единиц обменная (ОЕ) энергия (в ГДж) соответствует полусумме выноса (вкг)Ми Р205; отчуждение азота с урожаем равно произведению ОЕна 1,34(2x0,67);энергосодержание гумуса(в ГДж) равно половине заключенного в нем азота (в кг); расход воды посевами зависит от необходимой суммы температур и равен произведению суммы весенних запасов продуктивной влаги (Вв) и осадков за вегетацию на коэффициент, описываемый формулой: Кр = 10'134,9Н[Т4 +7(Т4- Т4)], где Н - продолжительность вегетации в днях, Т иТ1- среднесуточная за период вегетации и минимальная для культур температуры в °К. Формула для расчета предпосевных влаго-запасов корнеобитаемого слоядо 1,5...2,0м в регионах с годовым количеством осадков больше 380 мм при уровне грунтовых вод ниже 6 м имеет следующий вид: Вв = 0,41 Вк + 0,72 Ос3 + 54 мм, где Вк и Ос3 - неиспользованные предшественником почвенные влагозапасы и осадки холодного (<5"С) периода. Для прогноза урожайности влагоо -беспеченность умножается на коэффициент Кр. Полученное значение умножается на коэффициент включения энергии фитомассы в энергию урожая основной продукции (Ку). Расчеты выполняются в следующей в после -довательности: баланс влаги (влагооборот) в порядке чередования культур; ожидаемая продуктивность культур и севооборотов в энергетическом и натуральном выражении; определение потребности в средствах воспроизводства плодородия.
Ключевые слова: севообороты, структура посевных площадей, вода, энергия, азот, гумус.
Неразрывно и органически связанные с землеустройством севообороты -конструктивный каркас систем земледелия [1], который должен обеспечивать энергомассоперенос соответственно задачам эколого-экономической оптимизации сельскохозяйственного природопользования [2].
Потоки необходимых для формирования урожая веществ пересекаются в почве, которая аккумулирует осадки и поглощаемую в первичныхэндотерми-ческих реакциях фотосинтеза теплоту. Благодаря почве обеспечивается корневое и воздушное (до 80 % потребляемого при фотосинтезе углекислого газа приходится на эмиссию его из почвы) питание растений (см. рисунок).
Устойчивость продуктивности естественных фитоценозов обеспечивает их саморегулирование путем перестройки структуры благодаря широкому набору растений с неодинаковыми требованиями к наличию ресурсов в системе «почва-фитоценоз». Для достижения высокого хозяйственного эффекта агроценозов, в которых с товарной частью урожая отчуждается значительное количество веществ и энергии, необходимо управление использования последних за счет агротехнических приемов.
Оптимальный состав и чередование культур -это нетолько рассредоточенный во времени аналог естественного фитоценоза, но и механизм распределения ресурсов продуктивности пашни соответственно потребностям конкретных культур.
Продуктивность бессменных посевов всецело зависит от погодных условий и степени почвоутомления, которое отрицательно сказывается ы на эффективности использования о растениями факторов формирования | урожая. В итоге даже при оптимальной ^ обеспеченности водой, минеральным ® питанием и строгом контроле фито- 5 санитарного состояния посевов уро- 2 жайность в этих вариантах ниже, чем в ™ севообороте[3]. м
Вследствие поверхностного стока ® и сопряженной с ним эрозии остается <о
неиспользованным такой возобновляемый ресурс, как вода, и безвозвратно теряется почва, что можно устранить путем почвоводоохранного обустройства территории в системах земледелия конкретных хозяйств на расчетной инженерно-гидрологической основе [4] при дифференцированном использовании пашни в севооборотах разного вида. Последнее выступает обобщенным итогом мер по управлению эрозионно-гидрологическим процессом на конкретных выделах пахотных земель [5] и предопределяет возможные варианты выбора специализации хозяйств с соответствующей ей структурой посевных площадей [6].
Потребность в методике управления вещественно-энергетическими потоками объективно обусловлена необходимостью высокоэффективного использования возобновляемых природных ресурсов, обеспечивающего повышение отдачи от антропогенных вложений.
Цель исследования - разработать способы количественной оценки последствий от практической реализации принимаемых решений для получения заданного количества продукции полеводства соответственно специализации сельхозпредприятий при условии воспроизводства плодородия почвы.
Исследования состояли в анализе экспериментального материала, накопленного в многолетних стационарных опытах ВНИИЗиЗПЭ и других научно-исследовательскихучреждений лесостепной и степной зон по изучению эффективности сочетания антропогенных и биологических удобрительных средств в севооборотах разного вида. Почва опытного участка - чернозем типичный тяжелосуглинистый с содержанием гумуса 5,2...5,4 % в пахотном слое и 2,0...2,4 % на глубине 80...100 см. Реакция почвенного раствора слабокислая.
Между вещественно-энергетическими превращениями установлены следующие взаимосвязи:
при расходе (Р) посевами 1 мм(10т/ га) воды в фитомассе накапливается 0,567 ГДжэнергии (Е);
энергия (в ГДж) фитомассы основной и побочной продукции (порознь и суммарно) равна сумме выносов (в кг) 1/2 1М,1/2РО,К,0;
¿ 5' £ '
эквивалентная сбору кормовых единиц обменная (ОЕ) энергия (в ГДж) 2 равна полусумме выноса (в кг) N и Р205, ° а так как около двух её третей связано 1Л с азотом, то и отчуждение последнего с урожаем равно произведению ОЕ на о 1,34(2x0,67);
| энергосодержание гумуса (в ГДж) равно половине заключенного в нем ® азота(вкг);
5 расход воды посевами зависит от $ необходимой суммы температур или
Рисунок. Принципиальная схема агрономически значимых вещественно-энергетических потоков: ку — излучение Солнца; 2 — теплота; Н20 — вода; С02 — углекислый газ; (СН20)п — углеводы; С, М,Р, К— соответственно углерод, азот, фосфор, калий. Большим размерам и лучшей четкости стрелок и обозначений соответствует больший объем переноса веществ.
фактической величины этого показателя (при незавершенном или двухлетнем, каку свеклы, цикле развития) и равен произведению влагообеспечен-ности [весенние запасы продуктивной влаги (Вв) + осадки за вегетацию (Осл)] на специальный коэффициент, который описывается формулой:
Кр= 10-134,9Н [Т4 + 7(Т4-ТД где Н - продолжительность вегетации вднях,
Т и Т, - соответственно среднесуточная за период вегетации и минимальная для конкретных культур температуры в °К(использованиетермодинамической шкалы температур обусловлено тем, что формула для расчета Кр основана на применении фундаментальной физической константы - постоянной
Стефана-Больцмана).
Перечисленные взаимосвязи не противоречат положению о неодинаковых требованиях разных культур к условиям среды, но отражают тот факт, что условия - это одновременно ресурсы урожайности. Поскольку перечисленные зависимости установлены по результатам анализа обширного экспериментального материала, полученного в неодинаковых условиях в разные годы, позволяет считать их универсальными и проводить расчеты, необходимые для принятия адекватных решений.
Для прогноза урожайности конкретных культур следует умножить вла-гообеспеченность на коэффициент Кр (табл. 1). Затем умножить полученное
1. Величина коэффициентов для прогноза урожайности ведущих культур полевых севооборотов
Коэффициент
Культура для расчета водопотреб-ления(Кр) для расчетауро- жайности в неудобренных вариантах (Ку) для определения поправки к К связи с ув дозами N (а)
Черный пар 0,48. .0,57 -
Травы в занятом сено 0,55. .0,59 0,40.. .0,50 <0,01
пару зеленая масса 1,67.. .1,70 0,1
Зернобобовые 0,63. .0,66 0,17.. .0,21 0,011
Яровые зерновые 0,66. .0,69 0,22.. .0,25 0,011...0,012
Озимые зерновые 0,71, .0,73 0,22.. .0,26 0,012...0,013
Кукуруза на силос 0,72. .0,76 1,78.. .1,90 0,11...0,12
Кукуруза на зерно 0,80. .0,83 0,26.. .0,29 0,012...0,014
Подсолнечник 0,85. .0,88 0,17.. .0,19 0,01*
Сахарная свекла 0,89. .0,94 1,43.. .1,47 0,11...0,13
Многолетние сено 0,87. .0,92 0,44.. .0,53 м.д.**
травы зеленая масса 1,60.. .1,75
*расчет оправдан для доз азота меньше 60 кг/га [7]; **мало данных.
2. Сравнение расчетных и фактических величин урожайности и баланса гумуса на примере севооборота с сидеральным паром в стационарном опыте ВНИИЗиЗПЭ (среднее за 1992-2015 гг.)
Урожайность, ц/га Отклонение
Культура севооборота Вк, мм Вв, мм Осл, мм Кр Р, мм Е, ГДж/га ку/ Ку2* расчетная фактическая расчета от факта, %
v У,* У, У, при У1 при У2
Пар сидерапьный 117 204 91 0,55 162 92 1,82 1,85 167 170 159 167 5 2
Озимая пшеница 133 211 155 0,72 264 149 0,28 0,31 42 46 38 44 10 -4
Сахарная свекла 102 198 220 0,92 385 218 1,63 1,90 355 414 364 421 -3 -2
Кукуруза на силос 33 170 192 0,75 272 154 1,88 2,07 289 319 332 370 -15 -16
Ячмень 90 193 159 0,67 236 134 0,27 0,30 36 40 33 39 8 3
Отчуждение азота с товарной частью урожая (ОЕ х 1,34), кг/га за год X X -77 -116 X X
Поступление азота с навозом и минеральными удобрениями, кг/га за год 30 97 30 97 X X
Баланс азота, кг/га за год X X -47 -19 X X
Баланс гумуса, т/газа год N) -1,02 -0,42 -0,91 -0,49 12 -14
Осадки за холодный период -141 мм
* У1иУ2- урожайность при внесении на 1 га севооборота соответственно 6 т навоза и12т + М37Р37К37; ** содержание азота в 1 тгумуса, кг;
севооборотов и определения потребности в удобрительных средствах для воспроизводства плодородия.
значение на специальный коэффициент Ку, который отражает вероятность включения всей энергии фитомассы в основную продукцию. Величины последнего возрастают по мере повышения доз азота. Прибавка (в ц/ га) к неудобренному варианту дается функцией а1пЫ (Ы в кг/га д.в.), где а -коэффициент отражающий повышение урожайности конкретных культур от поступления в почвуазота.
Эмпирически установленная формула для расчета предпосевных вла-гозапасов корнеобитаемого слоя до 1,5.. .2,0 м в регионах с годовым количеством осадков больше 380 мм при глубоком (ниже 6 м) уровне грунтовых вод имеет следующий вид: Вв = 0,41 Вк + 0,72 Ос3 + 54 мм, где Вк и Ос3соответственно неиспользованные предшественником почвенные влагозапасы и осадки холодного (< 5 °С) периода.
Проведение прогнозных расчетов с использованием перечисленных нормативов на примере свекловичного севооборота с сидеральным паром в стационарном опыте ВНИИЗиЗПЭ показало близость расчетных величин к экспериментальным как по урожайности, так и по балансу гумуса (табл. 2). Это подтверждает целесообразность выбора наиболее приемлемых схем севооборота из ряда возможных на основе учета среднемноголетних агрометеорологических показателей [8].
Предложенный метод был апробирован на пригодность для принятия решений о временной модификации схем севооборотов, необходимость в которой возникает в связи с колебаниями конъюнктуры рынка и погоды. Урожайность рассчитывали соответственно условиям конкретных лет с привязкой к послеуборочным вла-гозапасам 1991 г. во всех полях трех севооборотов стационарного опыта ВНИИЗиЗПЭ при минимальном и максимальном уровняхудобренности - соответственно 6 т навоза и 12 т навоза + 1М37Р37К37на 1 га севооборота. Почти две трети различий между фактическими и экспериментальными величинами по-
пали в интервал 10...20%, более трети оказались меньше 10 %, а отклонения от 20 до 30 % не превысили 4 % от общего числа пар сравнения.
Неточности в расчетах урожайности обычно связаны с несовпадением периодов интенсивного водопотребления культур с временем выпадения летних осадков, но главным образом объясняются тем, что роль чередования культур не исчерпывается влиянием на влагообеспеченность посевов. Поэтому при временной модификации схем севооборотов в расчеты следует вводить коэффициенты относительной урожайности [9], которыеустанавлива-ютэмпирически по результатам многолетних опытов.
Отклонения в расчетах баланса гумуса связаны со степенью использования мероприятий по управлению его воспроизводством [10]. Расходная статья в балансе гумуса обусловлена отчуждением азота с урожаем. Азотный режим почвы полностью контролируют почвенные микроорганизмы, потоки азота через клетки которых в 2.. .3 раза превосходят его потребление полевыми культурами [11], в силучего точность расчетов баланса гумуса составляет 20...30 %.
Таким образом, для количественной оценки последствий от практической реализации решений, принимаемых в целях выращивания заданного количества продукции полеводства соответственно специализации сельхозпредприятий при обязательном воспроизводстве плодородия почвы, вполне пригодна нормативная база по связи урожайности с потреблением ресурсов посевами конкретных культур. Расчеты выполняются в следующей последовательности: баланс влаги (влагообо-рот) в порядке чередования культур; ожидаемая продуктивность культур и севооборотов в энергетическом и натуральном выражении; определение потребности в средствах воспроизводства плодородия. При достигнутом уровне точности этот метод вполне пригоден для прогнозной оценки схем
Литература
1. Лошаков В.Г. Севооборот и плодородие почвы. М.: Изд-во ВНИИА, 2012. 512 с.
2. Кирюшин В.И.Задачи научно-инновационного обеспечения земледелия России // Земледелие. 2018. № З.С. 3-7.
3. Лобков B.T. Почвоутомление при выращивании полевых культур. М.: Колос. 1994.112с.
4. Теоретические и методические основы предотвращения водной эрозии почв / А. Н. Каштанов, А. С. Извеков, В. А. Рожков и др. // Научные основы предотвращения деградации почв (земель) сельскохозяйственных угодий России и формирования систем воспроизводства их плодородия в адаптивно-ландшафтном земледелии. М.: Изд-во почвенного института им. В.В. Докучаева, 2013. С. 213-287.
5. Барабанов А.Т. Научно-методические основы разработки системы управления эрозионно-гидрологическим процессом // Актуальные проблемы земледелия и защиты почв от эрозии: сб. материалов Всероссийской науч.-практ. конф. Курск: ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, 2017. С. 13-17.
6. Черкасов Г.Н., Акименко A.C. Усовершенствованная база данных для автоматизированного проектирования севооборотов в агроландшафтах хозяйств Центрального Черноземья // Новые методы и результа-тыисследований ландшафтов в Европе, Центральной Азии и Сибири: монография. М.: Изд-во ВНИИА, 2018. С. 23-27.
7. Турусов В.И. Совершенствование технологии возделывания подсолнечника в Центрально-Черноземной зоне: дис.... докт. с.-х. наук. Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2006. 313 с.
8. Акименко A.C. Основы эффективного использования природных ресурсов в севооборотах // Земледелие, 2015. № 1. ы С. 22-23. ®
9. Акименко A.C. Методология проек- | тирования севооборотов и оптимальной О структуры посевных площадей в адаптивно- д ландшафтном земледелии (на примере ^ Центрального Черноземья) // Земледелие, (D 2018. № 6. С. 11-14. Z
10. Масютенко Н.П. Трансформация ор- сл ганического вещества в черноземных почвах м ЦЧР и системы его воспроизводства. М.: 2 Изд-воРАСХН,2012. 150 с. Ю
К 85-летию со дня рождения и 62-летию научной, производственной и общественной деятельности Лыкова Александра Михайловича -академика РАН, доктора сельскохозяйственных наук, профессора, заслуженного деятеля науки Российской Федерации
11. Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней. М.: Изд-воВНИИА, 2016. 591 с.
Methods of Managing Matter-Energy Flows in Crop Rotations
A.S. Akimenko
All-Russian Research Institute of Farming and Soil Protection from Erosion, Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. The purpose of the research was to develop ways of quantifying decisions on the production of a given quantity of products according to the specialization of agricultural enterprises, subject to the reproduction of soil fertility, based on the results of many years of stationary field experiments. The dependencies of resource consumption for crop formation were established. When crops consume 1 mm of water, 0.567 GJ of energy accumulates in the biomass. The energy (GJ) of the production's phytomass is equal to the sum of carry-over (kg) of 1/2N, 1/2P205, K20. The exchange energy (EE, GJ), equivalent to the harvest of feed units, is equal to the half sum of the carry-over (kg) of N and P205. Nitrogen carry-over with yield is equal to the product of EE by 1.34 (2x 0.67). The energy content of humus (GJ) is equal to half of the nitrogen enclosed in it (kg). Water consumption by crops depends on the required amount of temperature and is equal to the product of the sum of spring reserves of productive moisture (Ms) and precipitation during the growing season (Prs) by the coefficient described by the formula: Kp = 10E-13*4.9H[Tsup4 + 7*(Tsup4 - T1 sup4)], where His the vegetation duration, days; Tand T1 is the average for the vegetation period and the minimum temperature for crops, K. The formula for calculating pre-sowing moisture reserves of the root zone up to 1.5-2.0 m in regions with an annual precipitation of more than 380 mm with a groundwater level below 6 m looks like: Ms = 0.41Mk+ 0.72Prw+ 54 mm, where Mkand Prware soil moisture reserves unused by a forecrop and precipitations of the cold (less than 5 C) period. To predict the yield, moisture availability is multiplied by the coefficient Kp. The resulting value is multiplied by the coefficient Ky. The calculations are performed in a sequence: moisture balance (moisture circulation) in the order of the crop rotation; expected productivity of crops and crop rotations in energy and natural terms; determination of the need for fertility reproduction means.
Keywords: crop rotations; structure of sown areas; water; energy; nitrogen; humus.
Author Details: A. S.Akimenko, D. Sc. (Agr.), head of laboratory (e-mail: kurskfarc@ mail.ru).
For citation: Akimenko A. S. Methods of Managing Matter-Energy Flows in Crop Rotations. Zemledelie. 2019. No. 5. Pp. 7-10 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-201910502.
Александр Михайлович Лыков родился 5 июля 1934 г. в г. Алексин Тульской области в семье служащих. В 1957 г. он с отличием окончил агрономический факультет Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева и был направлен на работу во вновь организованный совхоз «Архангельский» Верейского района Московской области управляющим отделением «Порядино». В 1958 г. его перевели надолжность главного агронома того же совхоза.
В 1960 г. А. М. Лыков по приглашению академика РАСХН И. С. Шатилова поступил в аспирантуру МСХА при кафедре земледелия и методики опытного дела, по окончании которой в 1963 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Роль длительного примененияудобрений, севооборота и монокультур в изменении органического и азотного фонда почвы подзолистого типа».
Формирование научных интересов Александра Михайловича проходило под влиянием выдающихся ученых Тимирязевской академии: академика ВАСХНИЛ И. В. Якуш-кина (руководителя дипломной работы А. М. Лыкова), членов-корреспондентов ВАСХНИЛ Б. А. Доспехова, М. В. Федорова, профессоров В. Е. Егорова, С.А. Воробьева, И. С. Кауричева, С. Н. Алешина.
Большое значение имела и стажировка А. М. Лыкова в ГДР, в университете им. М. Лютера (Галле-Виттенберг) под руководством известных немецких ученых Г. Кеннеке и К. Шмальфусса. На опыте Ю. Кюна «Вечная рожь», атакже на почвенных образцах Длительного опыта ТСХА, были проведены исследования качественных изменений органического вещества пахотной почвы по схеме У. Шпрингера, редко использовавшейся в нашей стране.
С 1963 г. по 1995 г. Александр Михайлович работал на кафедре земледелия и методики опытного дела МСХА, где прошел путь от ассистента до заведующего кафедрой. В 1977 г. он защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук на тему «Органическое вещество и плодородие дерново-подзолистых почв в условиях интенсивного земледелия».
За период работы на кафедре земледелия и методики опытного дела А. М. Лыков зарекомендовал себя высококвалифицированным преподавателем, успешно сочетавшим преподавательскую и воспитательную работу с научной и общественной деятельностью. На высоком научном и методическом уровне он вел курс земледелия для студентов агрономического факультета, на факультете повышения квалификации, в Высшей школе управления сельским хозяйством. Он соавтор ряда учебников и учебных пособий. Им переведена на русский язык фундаментальная
