Методические аспекты агроэкологического районирования сельскохозяйственных территорий на микроуровне

РАСТЕНИЕВОДСТВО

УДК 577.3:63:576.8

Методические аспекты агроэкологического районирования сельскохозяйственных территорий на микроуровне

Фарзутдин Фаткутинович Мухамадьяров, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией,

Сергей Леонидович Коробицын, кандидат с.-х. наук, доцент, ст. научный сотрудник, Наталья Ефимовна Рубцова, кандидат с.-х. наук, доцент, ст. научный сотрудник, Виктор Петрович Ашихмин, кандидат с.-х. наук, ст. научный сотрудник, Юрий Павлович Савельев, кандидат с.-х. наук, ст. научный сотрудник, Виктор Николаевич Вологжанин, кандидат техн. наук, научный сотрудник, Дмитрий Владимирович Кайсин, исследователь

ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров, Россия

E-mail: niish-sv@mail.ru

Статья открывает серию публикаций по исследованиям лаборатории агроэнергетики, проводимым в период с 2004 по 2013 годы. В соответствии с рабочей программой тематика исследований была направлена на выявление путей повышения ресурсоэнергоэкономичности получения продовольственных ресурсов и кормов. Наиболее эффективным из них является агроэкологическоерайонирование сельскохозяйственных территорий. Исследования на макро- и мезоуровнях соответственно территорий Северо-Востока европейской части России и Кировской области были проведены в предыдущий период. Большой интерес в научном плане представляет агроэкологическое районирование территории на микроуровне. Рациональное размещение сельскохозяйственных культур в пределах производственного участка (агрохимического контура) требует прямого учета величины и показателей качества урожая каждого вида и сорта растений от параметров конкретных факторов среды (температуры почвы и воздуха, режимов увлажнения, наличия элементов питания и т.д.) [1]. Полученные данные составят основу для внутрихозяйственного землеустройства.

В данной работе приводятся особенности методологического подхода к районированию территории на микроуровне, основные направления исследований, методы и приборы, применяемые при их проведении.

Ключевые слова: агроэкологическое районирование, агроэкологически однотипные территории (АОТ), прецезионно-адаптивное растениеводство, адаптивные реакции, виды и сорта сельскохозяйственных культур, лимитирующие факторы среды, агроэнергетическая эффективность

Основными причинами низкой эффективности растениеводства на современном этапе, на наш взгляд, являются: при разработке рекомендаций - незнание или игнорирование основных принципов адаптивного растениеводства и, как следствие, условий образования дифференциальной ренты I и II; в практике - преувеличенное представление о возможности большинства сельскохозяйственных культур приспособиться к изменяющимся в широких пределах условиям среды обитания и давать при этом высокие и стабильные урожаи, а также переоценка роли техногенных факторов, применяемых для оптимизации взаимодействия "растение-среда".

В адаптивной интенсификации сельского хозяйства центральное место занимает агроэкологическое районирование сельско-

хозяйственных территорий, базирующееся на дифференцированном использовании адаптивного потенциала растений и факторов среды, причём в большей мере - нерегулируемых [2].

По результатам выделения АОТ для размещения озимой ржи, яровой пшеницы, ячменя и овса на макроуровне Северо-Востока европейской части России установлено, что в силу специфических требований видов сельскохозяйственных культур к условиям окружающей среды размеры и границы АОТ существенно различаются, а их урожайность варьирует до уровня 170% [3]. Результаты районирования сельскохозяйственных территорий на макроуровне позволяют: оценить потенциал сельскохозяйственных территорий региона (валовые сборы,

варьирование урожая, себестоимость продукции и т.д.); обосновать структуру посевных площадей сельскохозяйственных культур, адаптированных к условиям Северо-Востока европейской части России, а на её основе оптимизировать видовую структуру животноводства и рационов кормления с целью максимального использования в кормопроизводстве наиболее приспособленных к условиям региона видов растений; оценить на российском рынке конкурентоспособность сельскохозяйственной продукции Северо-Востока европейской части России.

Выделение АОТ на мезоуровне Кировской области [4] проведено для озимой ржи, яровых овса, ячменя, пшеницы и картофеля. Исходную базу для исследования составляли данные по 576 хозяйствам области за 11-летний период. Расчёты велись на реальных данных динамических рядов урожайности, агрохимических и агрофизических характеристик почвы, технологий возделывания сельскохозяйственных культур. В результате проведенных исследований установлено, что показатели урожая в разрезе выделенных АОТ отличаются более чем в 2 раза. В силу специфических реакций растений на сочетания ведущих абиотических факторов среды размеры и границы выделенных АОТ для каждого из пяти видов сельскохозяйственных культур также получились разными. Подготовленный картографический материал отражает пригодность сельскохозяйственных угодий Кировской области к возделыванию зерновых культур и картофеля с выделением территорий для предпочтительного их размещения и сокращения посевных площадей с показателями неэффективного природопользования. Результаты исследований дают возможность обосновать специализацию хозяйств в соответствии с приуроченностью отдельных видов растений к местным условиям и могут быть использованы при составлении кадастров земельных ресурсов [4].

Исследования по агроэкологическому районированию территории опытного поля ГНУ Фаленской селекционной станции Россельхозакадемии (Фаленской СС) проведены с элементами прецезионно-адаптив-ного растениеводства. Наиболее важным аспектом в них является выявление неравномерно распределенных во времени и пространстве факторов среды, лимитирующих

продуктивность, качество и устойчивость урожая видов и сортов сельскохозяйственных культур. Получение этой информации на основе оценок взаимодействия "растение - среда" и "фактор - продукт" позволит усовершенствовать внутрихозяйственное землеустройство путем районирования территории с учетом микроландшафтных особенностей поля и провести высокоадресную оптимизацию среды обитания культурных растений применением техногенных факторов и технических средств.

Цель исследований - повышение эффективности производства продовольственных ресурсов и кормов на основе прецези-онно-адаптивного растениеводства.

Методологические аспекты и методы исследований. Суть адаптивного (агро-экологического, рационального) размещения сельскохозяйственных культур заключается в том, что в качестве центрального предмета рассматривается возделываемое растение и его нужды (требования к условиям развития), тогда как все остальные (почва, климат и прочее) изучается только по отношению к нему [5]. Отсюда следует, что агроэколо-гическая оценка территории сводится не к изучению и классификации природных условий, а к пространственной дифференциации различных процессов и явлений, протекающих в агроэкосистемах под действием разнообразных сочетаний абиотических (нерегулируемых) факторов и определяющих, в конечном итоге, характер изменчивости хозяйственно ценных признаков сельскохозяйственных растений [6].

Основные положения районирования сельскохозяйственных территорий на микроуровне очень тесно связаны с принципами конструирования адаптивных агроэкоси-стем. На уровне агроэкосистем видовое и сортовое разнообразие лимитируется в основном особенностями почвенно-микрокли-матических условий и топографии территории ландшафтного комплекса, обусловливающих размер и конфигурацию выделяемых АОТ [7]. Поскольку в агроценозах и агроэкосистемах распределение абиотических и биотических факторов природной среды даже на небольшой территории оказывается весьма неравномерным, необходим переход к адаптивному землеустройству, т.е. дифференцированному

использованию особенностей почвенного покрова и гидротермического режима каждого поля севооборота, выделенного в пределах АОТ. Одновременно необходимо знать и особенности адаптивного потенциала культивируемых видов и сортов растений [7].

Микроклиматические различия, особенно в условиях пересеченного рельефа, на отдельных полях одного хозяйства и даже крупномасштабного севооборота могут достигать таких же больших различий, какие наблюдаются только в различных климатических зонах [8]. Они определяются микрорельефом местности, наличием водоемов, различием физических и агрохимических свойств почвы, характером растительности, способами обработки почвы и возделывания сельскохозяйственных культур. Все эти климатообразующие факторы довольно быстро и весьма существенно меняются во времени. Соответственно меняются и обусловленные ими микрометеорологические условия: освещенность, температура, ветер, увлажнение и т.д.

В процессе вегетации одни и те же виды сельскохозяйственных растений на разных участках склона отличаются по срокам прохождения фенологических фаз (до 10-17 дней), степени поражения вредителями и болезнями (в 2...5 раз). Значительно изменяется качество продукции (белка в пшенице ±2.3%). Причем, чем выше потенциальная продуктивность сорта, чем хуже погодные условия, тем вариабельность величины урожая и его качества в зависимости от рельефа, микроклимата и типа почв выше [7].

Для адаптивного севооборота характерна подвижность (гибкость) границ полей в зависимости от реально складывающихся погодных условий, особенностей эрозионных потоков и др. Однако в условиях высокой неоднородности природной среды выделение АОТ может привести к уменьшению размеров полей севооборотов и определенным ограничениям в использовании высокопроизводительной техники [7].

Основными критериями агроэкологи-чески оправданной дифференциации природной среды должны быть величина, качество, устойчивость, рентабельность урожая сельскохозяйственных культур, а также производительность труда, ресурсоэнергоэко-номичность и природоохранность их выращивания [7].

Методы исследований. Проведение агроэкологического районирования в качестве основной задачи предусматривает разработку типологии сельскохозяйственных угодий (хозяйства, поля севооборота, агрохимического контура и т.д.) по степени пригодности к возделыванию отдельных видов растений.

Для выделения и группировки АОТ на микроуровне выбран биоиндикационный метод. Он основан на методе таксономии с применением алгоритмов классификации, которые можно в общем виде представить как составную часть аппарата теории распознания образов [6, 9, 10, 11]. Общего подхода к выражению меры сходства в агроэкологическом районировании не существует, так как в задачах территориальной классификации значительную роль играют региональные особенности. В общем случае задача выделения и группировки АОТ сводилась к тому, чтобы, используя показатели, характеризующие территориальные особенности условий среды, объединить объекты в группы. Из различных вариантов был выбран способ парно-группового объединения. В качестве объектов, подлежащих классификации, могут быть взяты параметры агроэкологических условий опытного поля, принятого для агроэкологиче-ского районирования, или показатели урожая сельскохозяйственных культур.

Различия в рельефе, почвенном покрове и неустойчивость синоптических процессов обусловливают разнообразное сочетание факторов среды. Задача отыскания их оптимального сочетания с учетом конкретных условий при ограниченной информации о взаимодействии "растение-среда" является многофакторной. Для ее решения использовали методы планирования эксперимента [12, 13, 14].

В исследованиях необходимо выявить главные факторы среды, лимитирующие получение высококачественной сельскохозяйственной продукции на территории, подлежащей агроэкологическому районированию. Их выделяют на основе всестороннего изучения и анализа характеристик природной среды с использованием материалов из фондовых, статистических, картографических, литературных источников, а также базы данных по сельскохозяйственным предприятиям региона. В качестве факторов для опытного поля были приняты:

XI - содержание в почве подвижных форм фосфора (Р2О5), мг/кг;

х2 - содержание в почве обменного калия (К2О), мг/кг;

х3 - кислотность почвы, рН; х4 - содержание гумуса в почве (Г), %; х5- угол склона, градусы; х6 - азимут, градусы;

х7 - сумма активных температур воздуха за вегетационный период, °С;

х8 - сумма активных температур почвы за вегетационный период,°С.

Наличие регулируемых факторов дает основание полагать о возможности их оптимизации за счет техногенных факторов путем нахождения разумного компромисса между ресурсной оснащенностью изучаемого объекта (реперной площадки) и планируемыми уровнями отклика.

Критериями оценки системы были выбраны: ух - уровень урожая, т/га; у2 - показатель качества урожая.

Применение методов планирования эксперимента дает возможность выявить для каждой АОТ факторы, лимитирующие показатели урожая сельскохозяйственных культур.

Окончательное решение по выбору рациональных вариантов оптимизации условий окружающей среды необходимо принимать с учетом дополнительного критерия оптимизации - показателей энергетической эффективности технологических процессов. Пусть хозяйство, в силу объективно сложившихся обстоятельств, располагает определенным набором мобильных машин, сельскохозяйственных орудий и, в зависимости от механического состава почвы, контурно-сти полей, дальности перевозок и так далее, отнесено к определенной группе пахотных и не пахотных работ. Тогда, совокупные затраты техногенной энергии можно определить исходя из конкретных его условий и агротехнических показателей:

Естз. = I, К, Д(ЫРК), Д(СаСО3) •••)>

где Ок - удельный расход энергоносителя, кг/га или кг/т; К - часовая производительность агрегата машины, га/ч или т/ч;

- дозы удобрений под планируемый урожай, кг/га; Д(СаСО) - дозы внесения известковых

материалов, т/га.

Сравнивая значения коэффициента энергетической эффективности Кэф. и полной энергоемкости Э существующего и рассматриваемых вариантов из условия Кэф. ^ max, а Э ^ min, нужно выбрать наиболее эффективный из них.

Таким образом, исходя из достаточного числа факторов, их сочетаний и уровней варьирования, рекомендации будут высокоадресными и дифференцированными, обеспечивающими в конечном итоге низкоза-тратность и ресурсоэнергоэкономичность технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур.

Основные направления исследований и приборы, применяемые при их проведении. Для проведения экспериментов выбрано опытное поле Фаленской СС общей площадью 47,8 га. Исследования включали наблюдения за растениями в процессе вегетации (фенология, динамика прироста биомассы, активность фотосинтеза), а также учет величины и качества урожая сельскохозяйственных культур на реперных площадках опытного поля с учетных площадок 0,25 м2 в четырехкратной повторности.

Учет нарастания биомассы в течение вегетационного периода проводили путем подсчета количества культурных растений, определения общей биомассы и биомассы их составных частей по общепринятым методикам с одновременным учетом состава и биомассы сорной растительности.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли на спектрофотометре СФ-46 (Ломо). Освещенность (ФАР) над пологом и под пологом посевов ячменя оценивали портативной станцией LY-COR (США).

Для характеристики урожая сельскохозяйственных культур определяли его структуру, физические (вес 1000 зерен, натура и стекловидность зерна) и биохимические (белок, клейковина) показатели гостирован-ными методами.

Почвенные исследования включали оценку агрофизических (объемный вес, влажность) и агрохимических свойств (гидролитическая и обменная кислотность; содержание гумуса, подвижных форм фосфора, калия) по общепринятым методам.

Метеорологические наблюдения заключались в контроле температуры воздуха и почвы на реперных площадках в течение вегетационного периода с интервалом 4 часа

с использованием устройств температурного мониторинга ТСR. Контроль параметров воздушной среды (температура и влажность) осуществляли с помощью метеометра МЭС-200А (Россия). Высота снежного покрова измерялась переносной рейкой и рулеткой.

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом дисперсионного и корреляционного анализов с использованием программы "Ландшафт" [15].

Энергетический анализ агроценоза проводился в соответствии с методическим пособием, разработанным в НИИСХ Северо-Востока, по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов [16].

Список литературы

1. Жученко А.А. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства (концепция). Пушкино, 1994. 148 с.

2. Жученко А.А. Адаптивное растениеводство. Кишинев: Штиинца, 1990. 432 с.

3. Мухамадьяров Ф.Ф., Ашихмин В.П. Аг-роэкологическое районирование территории Северо-Востока европейской части России для размещения посевов озимой ржи // Достижения науки и техники АПК. 2012. №6. С. 51-54.

4. Сысуев В.А., Мухамадьяров Ф.Ф. Методы повышения агробиоэнергетической эффективности растениеводства. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2001. 216 с.

5. Тимирязев К.А. Солнце, жизнь и хлорофилл. М.: Сельхозгиз, 1937. Т.1. 500 с.

6. Симонов А.В. Агроэкологическая картография. Кишинев: Штиинца, 1991. 160 с.

7. Жученко А.А. Адаптивное растениеводство (эколого-генетические основы). Теория и практика: В трех томах. М.: Изд-во Агрорус, 2009. Т. II. 1104 с.

8. Мосолов В.П. Избранные труды. М.: Колос, 1995.

9. Дж.Вэн Райзин. Классификация и кластер. М.: Мир, 1980. 389 с.

10. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. М.: Статистика, 1977. 128 с.

11. Лугачев М.И. Исследование моделей аграрного производства. М.: Изд-во МГУ, 1985. 136 с.

12. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.

13. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.Н. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1972. 220 с.

14. Сысуев В.А. Энергосберегающие машины и оборудование для кормоприготовления: исследования методами планирования эксперимента. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 1999. 294 с.

15. Мартынов С.П. и др. Пакет прикладных компьютерных программ "Ландшафт". Тверь, 1999.

16. Методическое пособие по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части Российской Федерации / Ф.Ф. Мухамадьяров, В.А. Фигурин, В.П. Ашихмин [и др.] Киров: НИИСХ Северо-Востока, 1997. 62 с.

Methodical problems of agro-ecological regionalization of agricultural territories on micro-level

Mukhamadjarov F., Korobitsyn S., Rubtsova N., Ashikhmin V., Saveliev Yu., Vologzhanin V., Kaisin D.

An article opens a series of publication on investigations of laboratory of agro-energy carried out at 2004.2013. According to working agenda the thematic of investigation was deal with elaboration of pathways of increase of resource- and energy-profitability of obtaining of food resources and forages. Among them the most effective one is agro-ecological regionalization of agricultural territories. High scientific interest has agro-ecological regionalization on micro-level of territories. Rational distribution of agricultural crops within agrochemical contour demands direct count of amount and quality of harvest of everyone species and varieties of plants in connection with parameters of environmental factors (temperature of soil and air, regime of humidity, ability of nutrients etc.). The data compose the basis for intra-economy system of land use.

In the given article there are peculiarities of methodical approach of regionalization of territories on micro-level, main direction of researches, methods and devices used for the researches.

Key words: agro-ecological regionalization, agro-ecological equal territories, precession-adaptive plant growing, adaptive reactions, species and varieties of agricultural crops, limiting factors of environment, agro-energy effectiveness