CC BY
58
электроактуатора вносили аммиачную селитру в среднем в дозах от 0 до 114 кг д.в./га.
Определение содержания нитратного азота в фазе выхода в трубку яровой пшеницы показало, что при дифференцированном внесении в режиме off-line предельные границы варьирования величины этого показателя в слое почвы 0-40 см сузились с исходных 6-133 кг/га до 14-65 кг/ га. Усредненная норма внесения аммиачной селитры по элементарным участкам, наоборот, увеличивала варьирование содержания N-NO3 в указанный период - с 18-120 до 22147 кг/га.
На участках с дифференцированным внесением азотных удобрений растения дружнее всходили, росли и развивались, характеризовались выровненными показателями структуры урожая (длина колоса, озерненность, масса 1000 зерен). Например, число зерен в колосе колебалось при дифференцированном способе внесения азотных удобрений от 22 до 25 шт., при традиционном - от 21 до 27 шт. Масса 1000 зерен варьировала, соответственно, в пределах 32-36 и 28-36 г.
Длительное дифференцированное внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность в режиме off-line стабилизировало питательный режим почв. Так, в 2013 г. пространственная вариабельность содержания N-NO3 в этом варианте сохранялась от посева до кущения яровой пшеницы на одном уровне, а в 2014 г. увеличилась только на 5,7%. Внесение аммиачной селитры при посеве усредненной нормой по элементарным участкам увеличивало вариабельность содержания N-NO3 в слое 0-40 см на 17,5%, а в 2014 г - на 9,9%.
Урожайность яровой пшеницы в среднем за 2009-2011 гг. составила 4,11 т/га, то есть была близкой к запланированной (4,00 т/га).
Разброс урожайности по элементарным участкам при дифференцированном применении удобрений составил 0,64 т/га (от 3,82 до 4,46 т/га), или 14,4%. А в варианте со сплошным внесением по усредненному содержанию азота в почве он был почти двукратным - 2,32 т/га (от 2,29 до 4,61 т/га). При этом в случае использования удобрений традиционным способом отмечено увеличение продолжительности фаз молочной, восковой и полной спелости зерна пшеницы на 3-4 дн. относительно варианта с дифференцированным внесением. Более того, в 2011 г. несбалансированное питание на отдельных участках поля привело к полеганию растений, что стало при-
чиной неравномерного созревания и ухудшения качества урожая.
Эффективность дробного внесения минеральных удобрений зависит от контрастности элементарных участков по плодородию почвы и уровня планируемой продуктивности агроценозов. Расчеты показывают, что для достижения урожайности 2 т/га на черноземе выщелоченном даже в случае существенных различии по плодородию почвы дифференцированное внесение аммиачной селитры посевным агрегатом нецелесообразно. При планировании урожайности 3 т/га использование такого элемента технологии сокращает расходы минеральных удобрений на единицу площади до 56%, по сравнению с традиционным способом их внесения, что позволяет экономить на площади 10 000 га 3,96 млн руб. (при стоимости удобрений 12 руб./ кг). С увеличением сбора зерна до 4 т/га экономия при внесении азотных удобрений снижается до 14%, однако из-за увеличения объема их использования в денежном выражении она остается внушительной -3,72 млн руб. на 10 000 га.
Таким образом, элементы ТЗ обеспечивают рациональное использование естественного плодородия почвы и средств химизации при планировании урожайности зерновых 3-4 т/га.
Движение агрегата по полю с использованием навигационного оборудования снижает затраты (в пересчете на 100 га): на семена - на 1200,2 тыс. руб.; на удобрения - на 756 тыс. руб.; на топливо - на 71,4 тыс. руб.
Применение разработанного способа дифференцированного внесения минеральных удобрений в режиме off-line в зависимости от содержания элементов питания по элементарным участкам снижает нормы внесения, относительно традиционного способа, на 14-56% и обеспечивает экономию 3,72-3,96 млн руб. на 10000 га.
Прецизионное земледелие устраняет негативный эффект самоугнетения растений на стыках прохода посевных агрегатов, обеспечивает однородность элементов структуры урожая, одновременность развития растений и созревания урожая.
Литература.
1. Абрамов Н.В. Производительность агроэкосистем и состояние плодородия почв в условиях Западной Сибири. Тюмень: ГАУ Северного Зауралья, 2013. 270 с.
2. Афанасьев Р.А. Агрохимические принципы точного земледелия // Геоинформационные технологии в сельском хозяйстве. Оренбург: ОрГАУ, 2013. С. 3-7.
3. Кобец Н.И. Применение данных дистанционного зондирования Земли в системах точного земледелия. М.: 2006.
4. Михайленко И.М. Управление системами точного земледелия. СПб.: С.-Петербургский университет, 2005. 233 с.
5. Якушев В.П., Якушев В.В. Информационное обеспечение точного земледелия. СПб., 2007. 382 с.
6. Шпаар Д., Лайтхольд П., Файфер А. Дифференцированное управление посевами с учетом гетерогенности полей в рамках precision agriculture // Агротехно-логии XXI века: Сб. науч. тр. М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2007. С. 6-8.
Summary. In 2004-2014 researches and production tests were conducted in the northern forest-steppe of the Tyumen region in the black earth and gray forest soils to substantiate agro-economically the technological operations of crops cultivation with space systems use. The procedure for the use of elements of precision farming was determined: field relief digital modeling; creation of an electronic map of fields with boundaries fixing by geographic coordinates points; creating map-chart of plots; fields mapping by crop yields, technical operations by means of the navigation system. The size of the electronic field maps differed by 10-28% relative to previously created ones. When mapping by yields due to the spatial variability of soil fertility on the planned yield of spring wheat was not received in the field area up to 45%. Navigation system using for aggregates parallel driving decreased seeds overrun by 10 kg/ha, fertilizer - 6.3 and fuel -0.21 l/ha. The coefficient of variation N-NO3 content in the 0-30 cm layer of basic plots was 9.3-52.8%. Differentiated application of ammonium nitrate for the planned yield of spring wheat in the off-line mode provided stabilization of the black soil nutrient regime. In 2013, the spatial variability was preserved from sowing until tillering of spring wheat at the same level, but in 2014 increased only by 5.7%. Application of average rate of ammonium nitrate at sowing increased variability of nitrate in the soil from sowing until tillering phase in 2013 by 17.5% and in 2014 - by 9.9%. Differentiated application of mineral fertilizers before cereals sowing in off-line mode reduced the application rate by 14-56%, and increased the profitability of grain production by 9-11%.
Keywords: precision agriculture, navigation system, elementary plots, parallel driving, differentiated application of mineral fertilizers, field mapping. U
Author Details: N.V. Abramov, Dr.Sc. ¡S (Agr.), Professor; S.A. Semizorov, Cand. ^ Sc.(Agr.), Senior Lecturer (e-mail: semizo- g [email protected]); S.V. Sherstobitov, ® Researcher. s
For citation: Abramov N.V., Semizorov № S.A., SherstobitovS. V. Agriculture with space 6 systems using. Zemledelie. 2015. No. 6. 2
pp. 13-17 (in Russ.). o
■ 5
Using space systems in agriculture
N.V. Abramov, S.A. Semizorov, S.V. Sherstobitov
State Agrarian University of the Northern Trans-Urals, Republic str., 7, Tyumen, 625003, Russia
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ, РАСТЕНИЕВОДСТВО. ХИМИЗАЦИЯ И ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ
http://geolcmk.nne +7(361)211-00-44
îfl
Государственный мониторинг земель ¿ел ьскохозя йп еенного назначения
Инвентаризация земель сельскохозяйственного назначения (формирование реестров сельскохозяй-ственнык участков. стру-»с т у р севооборот а). Мониторинг сжигания гшжневных остатков на полях.
О,
Мониторинг
объемов производства
проверка достоверности отчетных данных предприятий данными спутникового мониторинга земли.
Выявление неэффектияного использования земель
Мониторинг плодородия земель сельскохозяйственного назначении. Мониторинг развития культур н вегетационный период.
« AgroNetwo г kTe h no I ogy »
Система интеллектуального земледелия
http://a п. services
|-7(499) 348-12-Ив
sale@a rnl. serví ees
АГРОХОЛД H H ГАМ
Планирование
Оптимальное планирование севооборотов. Формирование детализированных технологи ческих карт для какого поля. Плэн-фактный анализ исполнения технолог и й в ыра ициван Оптимизация использование техники, людей, зем [?л ы I ы х оесуосо в.
Мониторинг
Системы объективного мониторинга: метео, спутниковый, трекинг техники, состояния плодородия почв(АХО). Достоверное и своевременное выявление про^ блемных участков на поле. Увеличение прибыли с 1га на 30-35%.
□ □ пи
Расчет
Расчет объемов пнесения удобрений на плановую урожайность. Карты дифференциального внесения удобрений. Взаимодействие с протоколом 15081/5 и «умиойь сельскохозяй-пвенной зехникой.
ПЛОДОРОДИЕ
&
УДК 631.6.02
Оценка трендов эродируемых черноземов пахотных земель Центрального Черноземья
Ю.П. СУХАНОВСКИЙ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией А.В. ПРУЩИК, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Ю.А. СОЛОВЬЕВА, кандидат географических наук, старший научный сотрудник С.И. САНЖАРОВА, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, ул. К. Маркса, 70б, Курск, 305021, Россия E-mail: [email protected]
Для оценки почвенных ресурсов в пересчете на единицу площади пашни использованы два параметра: мощность гумусового горизонта (количество почвы) и запасы гумуса в слое почвы 0-50 см, от которых зависит урожайность сельскохозяйственных культур (ее качество). Для этих параметров проведена оценка трендов за 200-250лет после распашки целины и разработаны долгосрочные прогнозы для черноземных почв Курской области. В результате эрозии почвы гумусовый слой сокращался со средней скоростью 1,02,5 мм в год, почвообразование было менее интенсивным и составляло 0,07 мм в год. После распашки целины поступление в почву растительных остатков уменьшилось в 4 раза. В результате запасы гумуса снизились на 50-80%, а на восстановление эрозионных потерь почвы потребуются тысячелетия. Для конкретного склона разработаны прогнозы для 4 сценариев землепользования: 1 - типичный, характерный для Х1Х-ХХ вв.; 2 - почвозащитный, предназначенный для эродированных почв; 3 -консервация при переходе к многолетним травам; 4 - целина (восстановление многолетней залежи). Для прогнозирования использовали разработанную ранее модель, описывающую динамику трансформации органического вещества, эрозионных потерь почвы и формирования мощности гумусового слоя. Согласно результатам прогноза, полностью компенсировать эрозионные потери почвы нельзя, можно только существенно замедлить сокращение почвенных ресурсов.
Ключевые слова: почвенные ресурсы, эрозия, тренды, землепользование, прогноз, стратегия, чернозем.
Для цитирования: Оценка трендов эродируемых черноземов пахотных земель Центрального Черноземья / Ю.П.Сухановский, А.В. Прущик, Ю.А. Соловьева, С.И. Санжарова//Земледелие. 2015. № 6. С. 19-22.
Стратегическая задача земледелия - производство необходимого количества качественной растениеводческой продукции. Ее решение зависит, в частности, от почвенных ресурсов, которые будут использованы. Они характеризуются параметрами почвы, изменение которых во времени происходит под воздействием детерминированных и случайных факторов. Первые влияют на тренд (изменение среднего значения), вторые - на отклонение от него [1]. Тренды можно описать уравнениями регрессии. Для упрощения принято, что детерминированные факторы связаны с антропогенным воздействием, то есть с управляемой технологией использования почвенных ресурсов, а влияние случайных факторов определяется неуправляемыми погодными условиями. При смене технологии будут изменяться тренды почвенных параметров, что даст возможность управлять почвенными ресурсами.
В мире 93% продовольствия производят с использованием почвенных ресурсов [2]. Уже утрачено более 2 млрд га плодородных земель, что больше всей площади современного земледелия (1,5 млрд га). В конце ХХ
в. площадь пашни ежегодно сокращалась на 1,0% (в результате деградации почвы - на 0,47% и по причине отчуждения на другие хозяйственные нужды - на 0,53%). Только из-за эрозии площадь пашни ежегодно уменьшалась на 0,4% [3].
Чтобы избежать глобального продовольственного кризиса, к 2050
г. урожайность растениеводческой продукции необходимо повысить в 3,1 раза: из-за роста численности населения в 1,3 раза и по причине сокращения площади пашни в 2,4 раза [4].
При увеличении продуктивности растений повышаются технологические затраты на компенсацию, связанную с деградацией почвы, что ведет к росту цен на продукцию и снижению конкурентоспособности производителя.
По состоянию на 1995 г в России доля эродированных почв пахотных земель варьировала от 0,7 (Челябинская область) до 78,1% (Чувашская Республика) [5]. Ежегодный прирост площади эродированных почв на пашне был равен в среднем 0,36%, достигая в некоторых регионах 1% [6]. Данные за последние 20 лет отсутствуют, можно только предположить, что эти процессы продолжали развиваться.
Почвенным ресурсам нет альтернативы. Чтобы избежать кризиса, необходима стратегия их рационального использования на основе методологии, которая должна включать объективную оценку почвенных ресурсов и управление их динамикой в соответствии с выявленными трендами.
Согласно прогнозу научно-технологического развития России до 2030 г., ожидается рост мирового спроса на продукты питания [7]. Перспективным направлением научных исследований стала оценка состояния, динамики и восстановления почвенных, водных и биоресурсов.
Цель наших исследований - оценка трендов эродируемых черноземов пахотных земель Центрального Черноземья.
Почвенные ресурсы оценивают по количеству и качеству. В первом случае используют два измеряемых параметра: площадь пашни и мощность гумусового горизонта. Во втором судят по урожайности (количество производимой продукции с единицы площади при прочих равных условиях): чем она больше, тем лучше качество почвы. Для черноземов и серых лесных почв Курской области среднемноголетняя урожайность зерновых и пропашных культур (при прочих равных условиях) выше во столько раз, во сколько раз больше запасы гумуса в слое почвы е 0-50 см [4, 8]. Л
Если для оценки плодородия, д продуктивности и здоровья почвы е использовать тот же принцип, то они | будут изменяться так же, как и каче- № ство почвы. Понятие «качество» - от- ю носительное. Например, о нем можно м судить с позиции качества растение- 1 водческой продукции: чем больше в 5
1. Состояние черноземов пахотных земель Курской области
Параметр Неэроди-рованные Степень эродированности
слабая средняя сильная
Эродированные черноземы, в сравнении с неэродированными*
Гумусовый слой, см 74±1 55±1 35±1 24±2
Сокращение гумусового слоя, % 0 24±1 52±1 67±3
Сокращение запасов гумуса в слое 0-50 см, % 0 23±1 48±2 59±3
Черноземы, в сравнении с целиной*
Сокращение запасов гумуса в слое 0-50 см, % 50 62 74 80
Сокращение запасов гумуса в слое 0-50 см
вследствие эрозии, % 0 12 24 30
Результаты расчетов
Средняя скорость сокращения гумусового
слоя за 200 лет, мм в год - 1,0 2,0 2,5
Возраст мощности гумусового слоя для
условий целины, тыс. лет 5,7 3,4 1,6 0,8
Скорость образования гумусового слоя для
условий целины, мм в год 0,07 0,10 0,13 0,14
Время на восстановление гумусового слоя,
тыс. лет - 2,3 4,1 4,9
* данные [4].
почве содержится вредных веществ, которые переходят в продукцию, тем хуже ее качество.
Для оценки динамики почвенных ресурсов мы использовали тренды двух измеряемых параметров: мощности гумусового горизонта и запасов гумуса в слое почвы 0-50 см в пересчете на единицу площади пашни. Изменение площади пашни не рассматривали, поскольку оно зависит от перевода земель из одной категории использования в другую.
Тренды условно разделены на две группы: за прошедшее время и прогнозируемые. Первые обычно описывают уравнениями регрессии. Для определения вторых используют математические модели,характеризующие динамику почвенных параметров при разных сценариях использования пахотных земель.
Оценка трендов за прошедшее время. В результате эрозии за 200250 лет после распашки целины значительно уменьшилось количество почвы, то есть сократилась мощность гумусового горизонта, и ухудшилось ее качество, так как снизились запасы гумуса (табл. 1). Для сильноэродированного чернозема мощность гумусового горизонта составляет 24 см, что соответствует глубине вспашки. Это означает, что в какой-то момент времени гумусовый слой уменьшился до этого значения, а затем стал постоянным, и началось припахивание материнской породы.
Данные об изменении запасов гу-■я муса, по сравнению с целиной, позво-о ляют утверждать, что в неэродирован-Ф ном черноземе только в результате ^ гумификации и дегумификации орга-о нического вещества они уменьшились | на 50%, а в результате эрозии - еще на 12-30%. Следовательно, потери ® гумуса вследствие эрозии меньше, 5 чем по причине гумификации и дегу-$ мификации.
Как будет показано ниже, все это произошло потому, что после распашки целины намного уменьшилось количество растительных остатков, поступающих в почву, и увеличились эрозионные потери.
Длялесостепныхчерноземовтренд мощности гумусового слоя можно определить по уравнению [9]:
НV = Нтах [1 - а • ехр(чМ)], (1) где Н - мощность гумусового слоя, мм; t - возраст почвы, лет; Нтах = 1200 мм - мощность этого слоя, соответствующая равновесному состоянию почвы; а = 0,902; ехр - экспонента; Ь=0,00015 год1. За время отсчета возраста почв ^ = 0)принято начало голоцена(10 тыс. лет назад).
Уравнение (1) получено для почв с возрастом 0<К8 тыс. лет. Поэтому можно принять, что при возрасте почвы, которое оценивается тысячелетиями, этот тренд описывает увеличение мощности гумусового горизонта для целинных почв (без вмешательства человека). Из (1) следует, что скорость образования гумусового слоя равна:
*Ш = аЬНттехр(-Ы). (2)
Используя уравнение (1), сначала для каждого значения мощности гумусового слоя рассчитали возраст для целинной почвы. Затем по (2) определили скорость образования
гумусового слоя, также для условий целины. Она больше, чем для пашни, на которой поступление в почву растительных остатков ниже [10]. Результаты расчетов (см. табл. 1) представляют собой грубую оценку соответствующих величин. Тем не менее при их сопоставлении видно, что на пашне скорость эрозии, которая привела к сокращению гумусового слоя, была намного больше скорости почвообразования для условий целины (тем более для пашни).
Прогнозирование трендов. Раньше человек брал от почвы столько, сколько мог взять, не заботясь о будущем. Такое отношение привело к возникновению опасности глобального продовольственного кризиса. Чтобы его избежать, потребуется прогнозированиетрендов почвенных ресурсов и последствий принимаемых решений.
Ранее были разработаны модель динамики запасов гумуса без учета эрозии почвы и прогнозы для неэро-дированных черноземов Центрального Черноземья [11, 12]. Они показали, что при современном земледелии сохранится тенденция уменьшения запасов гумуса в почве.
Теперь для прогнозирования трендов почвенных параметров мы использовали модель [13], характеризующую динамику эрозии почвы, трансформации органического вещества и образования гумусового слоя. Проверка показала, что через 200 лет после распашки целины модель занизила мощность гумусового горизонта в среднем на 13% [14], а запасы гумуса в слое 0-50 см - на 15% [13]. Следовательно, ее можно применять для долгосрочного прогнозирования.
Для эродированного склона длиной 500 м с углом наклона 3° восточной экспозиции (почва - чернозем) были разработаны прогнозы для 4 сценариев использования (табл. 2). Заметим, что после распашки целины количество растительных остатков, поступающих в почву, уменьшилось ориентировочно в 4 раза (сценарии «целина» и «типичный»).
2. Описание сценариев использования склона (использованы данные [13])
Сценарий Растительность Поступление растительных остатков*, т/га в год Примечание
Типичный зерно-паро-пропашной севооборот 2,9 типичный в Х1Х-ХХ вв.
Почвозащитный зерно-травяной севооборот 5,6 защита эродируемых почв
Консервация переход к многолетним травам на длительное время 7,4 улучшение свойств почвы
Целина залежь, переходящая к восстановление по-
условиям целины 12,3 чвенных ресурсов
* в неэродированную почву.
1,2
1,0
1
*
1 0,6
£ 0,4
л % — 0,2
в 0,0
-к—I—^—
1—I—у—4
5 #
£
I
К =
51Ю 600
и
и
-
1 I
С
л
£
£
600
600
Рисунок. Прогнозы трендов: А — запасов гумуса в слое 0-50 см наверху склона, неэро-дированная почва; Б — запасов гумуса внизу склона, эродированная почва; В — мощности гумусового слоя внизу склона (сценарии: 1 — типичный; 2 — почвозащитный; 3 — консервация; 4 — целина).
При прогнозе трендов для запасов гумуса и мощности гумусового слоя использованы параметры неэродированной почвы на верху склона в начальный момент времени: содержание гумуса в слое почвы
0-20 см - 5,6%, мощность гумусового слоя - 80 см, что соответствует значению «1» на вертикальной оси (см. рисунок).
При современном земледелии (сценарии 1-3) запасы гумуса будут
уменьшаться с разной скоростью (см. рисунок, А и Б). Расчеты показали, чтобы сохранить содержание гумуса в неэродированной почве на уровне 5,6%, необходимо ежегодное поступление в почву растительных остатков в количестве 11 т/га.
При современном земледелии (сценарии 1-3) мощность гумусового слоя почвы можно сохранить только при консервации (см. рисунок, В). Для сценария «типичный» через 200 лет мощность гумусового слоя сократится до глубины вспашки, после чего станет постоянной, а вспашка затронет материнскую породу.
Расчеты показали, что для восстановления запасов гумуса в слое 050 см внизу эродированного склона до уровня, соответствующего значению наверху склона в начальный момент времени, потребуется 500 лет (см. рисунок, Б, сценарий «целина»), а в слое 0-20 см - 200 лет.
Для восстановления мощности гумусового слоя потребуются уже не сотни лет, а намного больше (см. рисунок, В, сценарий «целина»). Оценка продолжительности этого периода проведена с использованием уравнения тренда (1).
Если эродированные почвы перевести в залежь, которая со временем трансформируется в целину, то время на восстановление будет определяться разностью возрастов гумусовых слоев неэродированной и эродированных почв (см. табл. 1). Полученные результаты показывают: то, что природа создавала тысячелетиями, человек потерял за 200-250 лет.
Таким образом, для рассмотренных черноземов оценка трендов 200250 лет выявила изменения ряда параметров. Мощность гумусового слоя слабо-, средне- и сильноэродирован-ных почв сократилась, соответственно, на 24, 52 и 67%, а запасы гумуса в слое 0-50 см уменьшились на 23, 48 и 59%. Прогноз трендов этих параметров показал, что на восстановление мощности гумусового слоя потребуются 2,3 тыс.; 4,1 тыс. и 4,9 тыс. лет соответственно, а на восстановление запасов гумуса - столетия. При современном земледелии можно только существенно замедлить сокращение оставшихся почвенных ресурсов.
е
Литература. |
ед
1. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статисти- ^ ческий анализ данных на компьютере. М.: и ИНФРА-М, 1998. 528 с. ?
2. Добровольский Г.В. Педосфера как № оболочка высокой концентрации и раз- о? нообразия жизни на планете // Почвы в 0 биосфере и жизни человека: сб. науч. тр. 2 М.: МГУЛ, 2012. С. 20-34.
