Научные основы комплексной фитозоологической оценки состояния зернового агроценоза в почвозащитном земледелии Приобской лесостепи Западной Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Научные основы комплексной фитозоологической оценки состояния зернового агроценоза в почвозащитном земледелии Приобской лесостепи Западной Сибири

Красноперов Андрей Геннадьевич

06.01.01 - общее земледелие

03.00.16 - экология

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства (ГНУ СибНИИЗХим) СО РАСХН и Федеральном Государственном образовательном учреждении Российский государственный аграрный заочный университет (ФГОУ ВПО РГАЗУ)

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

Евгений Константинович Еськов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Паракшина Элеонора Михайловна

доктор сельскохозяйственных наук

Кузнецова Елена Ивановна

доктор биологических наук

Миненко Анатолий Климентьевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения Российский государственный университет им. И. Канта (ФГОУ ВПО РГУ им. И. Канта)

Защита состоится 11 октября 2007 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.016.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт информатизации агрономии и экологии» (ФГУП «ВНИИ Агроэкоинформ») по адресу: 143026, Московская область, Одинцовский р-н, пос. Немчиновка-1, ул. Агрохимиков, дом 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИ Агроэкоинформ»

Автореферат разослан 5 сентября 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Ушаков Ю.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В условиях адаптивно-ландшафтного земледелия существенно изменяются экологические условия развития агрофитоценозов, характер и направленность взаимоотношений культурного, сорного растительных компонентов и их неотъемлемых обитателей - беспозвоночных животных. Особое значение эти взаимоотношения приобретают в условиях поверхностной зяблевой обработки почвы, либо совсем без таковой (нулевая), с оставлением стерни, когда традиционные методы контроля (вспашка) за растениями сорного сообщества исключаются. Такие агротехнические приемы составляют суть почвозащитного земледелия.

Недостаточные сведения о складывающихся взаимоотношениях сорных растений и их обитателей в почвозащитном земледелии в условиях зернового севооборота, усложняют возможности прогнозирования их вредоносности в посевах и принятия оперативных адекватных мер. Для успешного контроля и регулирования численности сорных растений и беспозвоночных обитателей зернового агрофитоценоза необходимы знания основных закономерностей их развития и распространения при почвозащитных зяблевых обработках почвы на разных уровнях химизации в типичных условиях увлажнения вегетационного периода Приобской лесостепи.

По многочисленным сведениям, засоренность полей на территории лесостепи Западной Сибири при минимизации зяблевой обработки почвы резко возросла. Происходит смена доминирующих видов сорняков, а также целых сообществ (Миркин, 1985; Зейферт, др., 2000).

Составляющей частью любого сообщества сорных растений является беспозвоночное животное население. Вся жизнедеятельность беспозвоночных обитателей тесно связана с растениями. Но помимо экологической зависимости от растительных сообществ, многие беспозвоночные связаны с почвенными процессами, а большинство из них непосредственно участвуют в нем. Процесс гумусонакопления в большей мере является функцией почвенных беспозвоночных.

Работами В.Дунгера (Dunger, 1963), Л.С.Козловской (1976), Б.Р.Стригановой (1980), и другими убедительно показано, что беспозвоночные-сапрофаги способствуют образованию гумуса не только измельчая растительные остатки, но и трансформируя их в своих кишечниках до состояния высокомолекулярных соединений типа гумусовых кислот. При минимизации зяблевых обработок почвы, вместе с трансформацией сорного компонента, как следствие, происходит смена сообщества беспозвоночных и их численности. Поэтому, решая проблему растительных сорных пашенных сообществ в почвозащитном земледелии необходимо знать закономерности взаимоотношений с их характерными обитателями - беспозвоночными животными.

В связи с широким внедрением энергоресурсосберегающих технологий возделывания зерновых культур борьба с сорняками и их беспозвоночными обитателями традиционными средствами экономически нецелесообразна. Одним из важных направлений в повышении эффективности и качества современного земледелия является комплексный подход в регулировании численности сорного и беспозвоночного компонентов агрофитоценоза. Систематический мониторинг биотического фактора агрофитоценоза с гармоничным сочетанием агротехнических, биологических, химических, физических и других методов, позволяет максимально использовать лимитирующие факторы, присущие данной экологической системе. Всё это и предопределяет актуальность данной работы.

Исследования проводились по плану научно-исследовательских работ ГНУ Сибирского НИИ земледелия и химизации сельского хозяйства в соответствии с заданиями министерства науки и образования Российской федерации и СО РАСХН.

Цель работы - разработать научные основы для комплексной фитозоологической оценки устойчивости экологического состояния зернового агрофитоценоза в почвозащитном земледелии Приобской лесостепи Западной Сибири.

Задачи исследований - определить и проанализировать видовой состав сорных видов растений и беспозвоночных животных в системе зернового агрофитоценоза;

- изучить влияние приемов зяблевой обработки почвы и уровней химической нагрузки зернового агрофитоценоза на встречаемость, обилие, распределение беспозвоночных животных, проективное покрытие и жизненное состояние сорных растений;

- выявить пространственно-временное размещение сообществ сорных растений и беспозвоночных животных, установить их ответную реакцию на применяемые почвозащитные приемы зяблевой обработки и уровни химической нагрузки в зависимости от условий увлажнения;

- выяснить закономерности временного и пространственного размещения беспозвоночных животных в сорных сообществах зернопарового агрофитоценоза при минимизации зяблевой обработки почвы и на их основе построить имитационную математическую модель;

Научная новизна. На базе широкой сравнительной экологической характеристики ассоциаций сорных растений, ведущих групп беспозвоночной фауны и почвозащитных зяблевых обработок в сравнении с традиционной вспашкой, обнаружен характер сопряженного изменения биотических и абиотических факторов по мере уменьшения антропогенных нагрузок на почву.

Впервые дана фитозоологическая характеристика зернового агрофитоценоза в лесостепи Приобья. Раскрыты особенности их структурной организации: видовой состав беспозвоночных определяется типом сорного растительного сообщества; зависимость между численностью массовых групп беспозвоночных животных и приемов зяблевой обработки почвы в разных сорных растительных сообществах выражена в разной степени; показано, что характер антропогенного воздействия и типа сорной растительности на численность массовых групп беспозвоночных в агрофитоценозе меняются под воздействием различных гидротермических условий, то есть изменение численности беспозвоночных по градиенту интенсивности антропогенной нагрузки на почву не является определяющим.

Сформулированы методические основы определения экологических критериев сообщества сорных растений и их беспозвоночных обитателей по результатам анализа распределения их популяций в почвозащитной системе при зяблевой обработке. Известный экологический принцип смены местообитаний использован как критерий экологического сравнения и классификации видов.

Построена система экологических агрегаций видов растений и беспозвоночных животных, объединяющих генеалогически неродственные организмы в единые таксоны.

Впервые в качестве основы для экологической характеристики агрофитоценоза использована фитозоологическая зависимость от комплекса абиотических факторов, определяющих ритм функционирования агроэкосистемы в течение нескольких ротаций зернопарового севооборота и вне его при сокращении глубины зяблевой обработки до нуля. Дана оценка с фитозоологических позиций стациальных различий восьми ассоциаций сорных растений и их беспозвоночных обитателей по набору и ритмике их сезонных состояний.

Защищаемые положения: 1. Параметры агрофизического состояния почв в ассоциациях сорных растений и обитающих в них сообществ беспозвоночных в зерновом агрофитоценозе и вне его, в ходе сезонных и многолетних трендов меняются сопряжено, следуя одним и тем экологическим закономерностям.

2. Наиболее отчетливо сопряжение закономерностей смены сообщества сорных растений и их беспозвоночных обитателей проступает при уменьшении механической нагрузки на почву, вплоть до полного отказа от зяблевых обработок в зерновых севооборотах, когда сопоставляется комплекс экологических факторов, оказывающих влияние на видовое разнообразие и плотность живых организмов.

3. Существуют устойчивые сочетания видов сорных растений и беспозвоночных животных, выделенные по характеру предпочитания ими местообитаний в зернопаровом агрофитоценозе и на бессменной пшенице. Время и место их обитания зависят от степени антропогенной нагрузки на почву, формирующей необходимые этим сообществам экологические условия. Такие зависимости составляют суть фитозоологического (экологического) анализа состояния агрофитоценоза и могут использоваться для распознавания кратковременных, преходящих состояний устойчивости агрофитоценозов, их сезонных и многолетних трендов.

Теоретическая и практическая значимость. В работе обосновывается системная методика оценки экологического состояния зернопарового севооборота и бессменной пшеницы. Проанализированы имеющиеся и определены её новые принципы и понятия. Обоснованы и проиллюстрированы возможности фитозоологического метода для сравнения агротехнологических приемов на примере зяблевой обработки почвы в зерновом агрофитоценозе.

В работе нашло дальнейшее развитие перспективное в теоретическом плане эмпирическое геоботаническое обобщение Браун-Бланке (1986) по группировке наиболее сходных по распределению в сообществах видов и сообществ с наиболее сходным видовым составом (Миркин, 1989) и зоологическое «правило смены местообитаний» (Бей-Биенко, 1966; Стебаев, 1974).

Созданная система фитозоологических агрегаций может служить средством экологического мониторинга за состоянием и устойчивостью агрофитоценозов во времени и под влиянием антропогенных воздействий различной степени. Система фитозоологической оценки удобна для экспресс-оценки устойчивости агрофитоценозов в системе севооборота и вне его, а также для индикации агрофизического состояния почвы.

Экспериментальный материал и построенная на их основе имитационная математическая модель представляют сообщество почвенной мезофауны при переходе к почвозащитному земледелию на примере подземногнездящихся пчелиных как гибкую саморегулирующуюся систему.

Экспериментальный материал диссертации положен в обоснование и разработку одного авторского свидетельства на изобретение, девяти патентов, выданных Федеральным институтом промышленной собственности РФ (ФИПС) и восьми рассматриваемых в настоящее время заявок на изобретение, находящихся в стадии экспертизы по существу.

Апробация работы. Материалы диссертации были обсуждены на международных научных и научно-практических конференциях «Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур» (Москва, 2002), «Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкортостана» (Абакан, 2002) «Современные проблемы земледелия и экологии» (Курск, 2002); «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (Уфа, 2002); «Обеспечение высокой экономической эффективности и экологической безопасности приемов использования удобрений и других средств химизации в агротехнологиях» (Москва, 2003); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО», (Уфа 2003), «Пища, экология, качество», (Краснообск, 2003); «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика» (Кемерово, 2003); «Развитие земледельческой механики растениеводства» (Москва, 2003); «Использование биологических ресурсов в сельскохозяйственном производстве», (Москва, 2004); «Беспозвоночные в зоологических коллекциях зоопарков» (Москва, 2004); «Проблемы рационального использования растительных ресурсов» (Владикавказ, 2004), «Пчеловодство холодного и умеренного климата» (Москва, 2006).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс для студентов Сибирского университета потребительской кооперации по дисциплине «Земледелие с основами почвоведения и агрохимии», а также послужили материалами для лекций в Калининградском филиале Санкт-Петербургского государственного аграрного университета по предметам «Экология», Теоретические основы прогрессивных технологий», «Концепции современного естествознания» и «Биологической химии».

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации отражены в журналах «Доклады РАСХН», «Вестник РАСХН», «Аграрная наука», «Земледелие», «Сибирский экологический журнал», «Сельскохозяйственная биология», «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки».

Всего по теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 3 монографии и 15 изобретений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 12 глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 375 страницы, включая 72 рисунков и 66 таблиц. Список литературы включает 325 наименований, из них 101 - иностранных авторов.

Материалы и методы исследований

зерновой агроценоз зяблевой почва

Экология беспозвоночного живого населения в сообществах сорных растений изучалась на стационаре центрального опытного поля ГНУ СибНИИЗХим в ОПХ «Элитное» Новосибирского района Новосибирской области, заложенного в 1981 году с целью изучения эффективности систем основной обработки почвы в зависимости от уровней химизации. С 1981 по 1993 год в пятипольном зернопаровом севообороте (пар-пшеница-пшеница-овес (ячмень) - пшеница, а с 1994 по 2004 год - четырехпольный зернопаровой севооборот (пар - озимая рожь - пшеница - пшеница) и поле с бессменной пшеницей (выведенное из пятипольного севооборота).

Почвенный покров стационара ГНУ СибНИИЗХим в ОПХ «Элитное» представлен среднемощным выщелоченным черноземом среднесуглинистого механического состава, содержание гумуса в слое 0-30 см около 5%, общего азота - 0,34%, валового фосфора 0,30%, подвижного фосфора по Чирикову - 29, обменного калия - 13 мг/100 г почвы, рН=6,7-6,8 (Кирюшин, Власенко, Иодко, 1991).

Методом расщепленных делянок поперек основных обработок накладывались варианты с применением химических средств: 1-без средств химизации (контроль), 2-гербициды против злаковых и двудольных сорняков, 3-удобрения N80 под вторую и N100 под третью культуру + гербициды, 4-удобрения + гербициды (комплексная химизация). По фитосанитарной обстановке применяли инсектициды, фунгициды и ретарданты.

В связи с целью и задачами исследований объектами изучения были беспозвоночные обитатели сорных растительных сообществ. Они изучались в агроценозах с бессменной пшеницей и в зернопаровом севообороте на четырех вариантах зяблевой обработки почвы.

Основные элементы технологии возделывания яровой пшеницы соответствовали общепринятым для природно-климатической зоны. Все гербологические учеты и наблюдения проводили по общепринятым методикам, рекомендациям и ГОСТам. Было использовано запатентованное «Устройство для определения потенциального запаса семян сорных растений в пахотном слое почвы» (Слесарев, Синещеков, Краснопёров и др., 2003);

Учет почвенных тромбидиформных клещей проводился стандартными методами (Гиляров, 1965), а также оригинальными запатентованными устройствами (Краснопёров, Слесарев, Синещеков и др., 2004)

Пробы для количественного учета мезофауны брали в соответствии с общепринятой в почвенной зоологии методикой (Гиляров, 1975). Фиксация представителей мезофауны с последующего определения проводилась в соответствии с общепринятыми правилами (Стриганова, 1975). Учет динамической плотности почвенной и напочвенной мезофауны осуществляли запатентованными стационарными устройствами оригинальной конструкции (Слесарев, Синещеков, Краснопёров и др., 2004)

Для определения биомассы использовали массу фиксированных особей. Пересчет на сухую массу производился по (Tskamoto, 1988). Исследования проводили в восьми ассоциациях сорной растительности зернопарового полевого севооборота и на поле с бессменной пшеницей. Предполагается, что за период исследования трех ротаций четырехпольного зернопарового севооборота комплекс почвенной мезофауны адаптировался к данным условиям существования.

Экспериментальный материал собирали по оригинальным методикам, разработанным специально для целей исследования, на которые Федеральный институт промышленной собственности выдал восемь патентов и одно авторское свидетельство на изобретение.

Определение растительного и зоологического материала проводилось сотрудниками ГНУ СибНИИЗХим совместно с автором, а также с привлечением специалистов из зоологических музеев (Новосибирск и Санкт-Петербург).

Период проведения исследований охватил все многообразие гидротермических условий. Для гидротермической характеристики места исследований принимался коэффициент увлажнения (Ку), рассчитанный по формуле В.А.Понько (1996).

Обработка фактического материала проводилась в пакете прикладной статистики «Снедекор» (Cорокин, 2004), а также в профессиональном пакете для обработки и анализа многомерной статистической информации STATISTICA 6.0 (2002).

Результаты исследования и обсуждение

Состав и экологические особенности формирования сорных растений в зерновом агрофитоценозе. Исследования сорных растений в зерновом агрофитоценозе показали, что сообщество состоит из 89 видов, принадлежащих 78 родам из 26 семейств. Сегетальная флора лесостепи Приобья при почвозащитной системе земледелия представлена преимущественно антропохорами (56,7%), на долю апофитов приходится 29,5 % видов Значительная часть сорных растений приходится на покрытосеменные растения (98,9 %). Преобладают виды семейств Asteraceae (22,5 %), Brassicaceae (15,7 %) и Caryophyllaceae (6,7 %). Ведущие 13 семейств включают в себя 73 вида (84,1 %). На степные и лесостепные особенности флоры указывает высокое положение родов Artemisia, Potentilia, Centaurea, Chenopodium, виды которые в основном свойственны зонам с недостаточным увлажнением. Самые крупные 11 родов содержат 25 видов (27,7 %).

Анализ ареалов показывает, что все сорные растения относятся к двум группам: голарктической и космополитной, а в пределах голарктической группы, евразийские виды составляют 45,6 % из общего числа видов, куда относятся представители семейств Asteraceae, Fabaceae, Rosaceae.

Классификация сорных растений разнообразна, наиболее важны классификации жизненных форм, или биоморф, так как знание биоморфы каждого вида позволяет прогнозировать поведение сорного растения при смене зяблевой обработки почвы. По общепринятой классификации К.Раункиера в разных вариантах опыта распределение сорных растений отражает следующую закономерность: при отвальной системе зяблевой обработки преобладают терофиты, при почвозащитной системе - гемикриптофиты. Жизненные группы в исследованном агрофитоценозе по Раункиеру представлены четырьмя группами (рис. 1).



Рис. 1 - Жизненные формы по К.Раункиеру в сравнении с отвальной системой зяблевой обработки почвы

При почвозащитной системе зяблевой обработки почвы почти в 2 раза снижается доля многолетних сорных растений, а двулетних увеличивается в 2,4 раза по сравнению с отвальной системой зяблевой обработки почвы (5 видов). Биологические спектры при разных системах зяблевой обработки сходны по типам жизненных форм, но отличаются в процентном соотношении. При отвальной и почвозащитной системах зяблевой обработки почвы преобладают корневищные растения и стержнекорневые сорные растения.

При переходе к почвозащитной системе обработки почвы уменьшается число видов сорных растений с корнеотпрысковой корневой системой в 20 раз, а число растений с мочковатой корневой системой увеличивается в 2,8 раза. Среди корневищных сорных растений в 4,9 раз возрастает доля длиннокорневищных, а короткокорневищные растения незначительно увеличивают свою долю при переходе от отвальной к почвозащитной системе обработки почвы.

По отношению к увлажнению ведущей является группа мезофитов - 53 вида (59.6 %) Значительную долю в спектре занимают мезоксерофиты - 23 вида, что составляет 25.8 %. Ксерофиты составляют 7.9 % от общего числа видов. Мезогигрофитов ещё меньше - 6,7 %.

Проведенный эколого-ценотический анализ позволил выявить происхождение и предпочитаемое размещение сорных растений, что позволяет прогнозировать их пространственное распределение в агрофитоценозе.

Продолжительность и типы вегетирующих сорных растений

По продолжительности вегетации на почвозащитных зяблевых обработках зафиксированы короткокорневищные и длиннокорневищные сорные растения.

Среди коротковегетирующих сорных растений зернового агрофитоценоза выявлено несколько биоморфологических типов, которые определяются продолжительностью вегетации от самой короткой, до более растянутой.

Весенне-раннелетние эфемеры. Это однолетние растения с очень коротким циклом развития. Наиболее распространены озимые формы, начинающие свое развитие с осени предыдущего года и отмирающие обычно в июне. В зерновом агрофитоценозе встречаются два вида - Androsace filiformis Retz. и Draba nemorosa L. Все особи с неглубокой корневой системой.

Эфемероиды. Жизненный цикл этих сорных растений складывается из вегетативной фазы, продолжающейся один или несколько сезонов, и генеративной фазы, после прохождения которой растения полностью отмирают. В год цветения и плодоношения вегетация генеративных особей продолжается до фазы колошения пшеницы (вторая - третья декада июля), а затем, после плодоношения, они обычно засыхают и отмирают (фаза молочно-восковой спелости пшеницы). К таким сорнякам относятся: Barbarea stricta Andrz., Berteroa incana (L.) D.C., Carduus crispis L. и другие.

Полуэфемероидный тип развития свойственен многим двудольным сорным растениям, теряющим значительную часть листовой поверхности лишь в засушливые годы с коэффициентом увлажнения Ку<0.58 (1990, 1994 гг.). Это сорные растения Persicaria lapathifolia (L.) S.F Gray, Fagopyum tataricum (L.) Gaertn., Barbarea stricta Andrz., Dracocephalum thymiflorum L. и др. Большинство перечисленных полуэфемероидных сорных растений относится к группе мелкокорневых, отчасти среднекорневых, что и обусловливает характерную реакцию на недостаток влаги в почве в верхних слоях, возникающую часто под покровом основной культуры к моменту её колошения.

Длительновегетирующие сорные растения. Среди длительновегетирующих сорных растений было выделено несколько групп, различающихся по отношению к основным зяблевым обработкам почвы.

1. Длительновегетирующие сорные растения, обладающие глубокой и средней по глубине корневой системой. Преимущественное обилие имеют в годы с умеренно-увлажненным и умеренно-переувлажненным типом увлажнения. Это сорные растения, произрастающие при почвозащитных зяблевых обработках почвы. Для них характерны крупные, относительно широкие листья, высокие, растущие в первом ярусе побеги. Эти сорняки имеют высокую интенсивность транспирации, обеспеченную глубокой корневой системой, добывающей влагу из горизонта постоянного увлажнения. Сюда относятся: Centaurea scabiosa L., Melilotus officinalis (L.) Pall., Rumex confertus Willd., Lanhyrus tuberosus L., Medicago sativa L., Leonorus cardiaca L. По фитоценотической принадлежности это в основном лесостепные виды.

2. Длительновегетирующие сорные растения с узкими листьями и некоторыми ксероморфными признаками (войлочное опушение, толстая кутикула). К этой группе отнесены несколько сорных растений - Astragalus danicus Retz., Euforbia virgata Waldst.et Kit., Matricaria perforata Merat. Эта группа сорных растений при наличии опушения может иметь более широкие листовые пластинки. Корневая система - от глубокой до средней. Преимущества имеют в годы с умеренно-дефицитным типом увлажнения

3. Длинновегетирующие сорные растения с неярко выраженными ксероморфными признаками и мелкой корневой системой. Это сорные растения, преобладающие на минимальных зяблевых обработках почвы, имеющих преимущество в годы с дефицитным (степным) и остро дефицитным типом увлажнения. В этой группе можно выделить более мелкие подразделения: а) сорные растения с войлочным опушением листьев: Nonea pulla, Cardamine pratensis L.; б) мезоморфные розеточные растения с прижимающимися к почве листьями и ползучие растения нижнего яруса агрофитоценоза: Potentilia anserina L., Potentilia paradoxa Nutt. Ex Torr. et Gray, Berteroa incana (L.) DC., Epilobium tetragonum L.; в) узколистные растения: Artemisia vulgaris L., Equisetum arvense L., Linaria vulgaris Mill., Moehringia lateriflora (L.) Fenzl.

Закладка и формирование надземных органов сорных растений

Установлено, что в зерновых агрофитоценозах среди сорных растений выделяются три группы по срокам начала вегетации: ранним, средним и поздним началом вегетации.

Особенно ранним началом вегетации характеризуются Androsace filiformis, Viola arvensis, Artemisia sieversiana, приступающие к формированию вегетативных побегов еще осенью и сразу после таяния снега начинающие вегетировать.

Наиболее обширную группу сорных растений составляют виды, заметная вегетация которых начинается после таяния снега, - в конце апреля - начале мая. К ним относятся некоторые летнезеленые виды Nonea pulla (L.) DC, Sonchus arvensis L., Chenopodium album L. и большинство летне-зимнезеленых видов - Draba nemorosa L., Matricaria perforate Merat , Dracocephalum thymiflorum L., Lamium amplexicaule L.и др.

Группа сорных растений с поздним началом вегетации начинает вегетировать в третьей декаде мая - начале июня. Это - Avena fatua L., Erigeron canadensis L., Echnochloa crusgalli (L.) Beauv., Crepis tectorum L., Convolvulus arvensis L., и др.

С момента схода снега до начала вегетации самых поздних растений проходит более одного месяца с некоторыми колебаниями по годам. В разные по гидротермическим условиям годы наблюдаются сдвиги в начале вегетации. Однако указанные различия в сроках закладки и формирования надземных органов сорных растений отмеченных групп принципиально сохранялись в течение трех ротаций севооборота..

Особенности роста побегов и листьев сорных растений

В анализе вегетации большое значение для эффективного гербицидного контроля имеет выяснение структуры генеративных побегов: наличие или отсутствие листьев в основании и по длине побегов, а также сроков их формирования. Установлено, что по мере минимизации зяблевой обработки почвы и удаления основной культуры от пара увеличивается количество видов сорных растений, способных в течение сезона вегетации образовывать две генерации побегов и листьев.

Все сорные растения по способности формирования генераций побегов и листьев разделились на 2 группы. Первая способна к образованию одной генерации листьев, вторая - двух генераций за вегетационный период. Число генераций листьев зависит от вида растения, его биоморфы. У некоторых видов появление листьев летне-осенней генерации зависит от гидротермических условий сезона вегетации.

Факторы, лимитирующие прорастание и развитие сорных растений

Фитотоксичность почвы

В оценке экологического состояния почвы в исследуемом зерновом агрофитоценозе очень важно определить общий исходный фон пестицидной нагрузки, на котором мы раскрываем зависимости распределения беспозвоночного населения в растительных сорных сообществах. За комплексный показатель принимается фитотоксичность - свойство загрязненной почвы подавлять прорастание семян, рост и развитие высших растений.

Многообразные химические вещества, предусмотренные при современной технологии возделывания зерновых культур, попадая в агрофитоценоз, претерпевают в нем различные превращения, усиливая при этом токсическое действие, как на культурные растения, так и на сообщества сорных растений. Известно, что наиболее восприимчивым к токсическим веществам природного и техногенного происхождения являются растения редиса (Raphanus sativus) из семейства крестоцветных (Brassicaceae) (Вайда, 1992). О характере угнетения проростков R. sativus судили по динамике «ростового индекса» (Ri) корневой системы, гипокотиля и листовых пластинок в сравнении с контролем, (Барахтенова и др.2003).

Обнаружено, что все исследуемые образцы почвы с вариантов полевого мониторинга отличаются друг от друга по показателю ростового индекса R. sativus. Отмечено негативное влияние факторов системы зяблевой обработки почвы, минеральных удобрений и системы защиты растений с долями 9.8, 21.5 и 35.6 % соответственно на общий уровень фитотоксичности почвы. При двухфакторном анализе и трехфакторном анализе - зарегистрировали их совместное негативное усиленное действие.

Зафиксированы значительные различия между горизонтами почвы по уровню общей фитотоксичности почвы. Отличия отмечены как по средним значениям ростового индекса редиса, так и по различным предшественникам. Кроме того, на всех вариантах, где применялся полный комплекс средств защиты растений, наблюдалось уменьшение значений ростового индекса и соответственно повышение общей фитотоксичности почвы, выраженное в различных аномальных отклонениях в развитии проростков редиса (Красноперов, Синещеков, Красноперова, и др., 2002). Сорные растения разных видов и разных жизненных форм специфично реагируют на фитотоксичность почвы, о чем мы излагаем в последующих главах.

Аллелопатическое влияние

Обнаружено негативное прижизненное влияние однодольных и двудольных сорных растений на проростки пшеницы с помощью лабораторного опыта (Синещеков, Красноперов, Красноперова, и др. 2003). Установлена достоверная зависимость проростков пшеницы от аллелопатического воздействия проростков сорных растений, причем двудольные растения на примере вьюнка полевого (Convolvulus arvensis), оказывали более интенсивное воздействие в сравнении с однодольными сорняками на примере щетинника (Setaria viridis) и овсюга (Avena fatua). Количественными показателями этой зависимости являются соотношение числа проростков сорных растений на один проросток пшеницы и величина ростового индекса культурного растения (рис. 2).

Рис. 2 - Изменение ростового индекса первичных корешков проростков пшеницы на разном фоне аллелопатических влияний сорных растений.

Степень увлажнения. Для идентификации влияния увлажнения на развитие сообщества сорных растений был использован коэффициент увлажнения (Ку), поскольку он является интегральным показателем гидротермических условий в месте проведения исследований, так как не только увязывает температуру и влажность, но учитывает запасы почвенной влаги как в зимний так и летний периоды. Каждый вид сорного растения характеризовался девятью в основном, морфометрическими показателями, а также вероятной встречаемостью на всех вариантах антропогенной нагрузки в зерновом агрофитоценозе, в том числе массой единичного растения. Было проанализировано влияние всех пяти типов увлажнения на исследуемые девять признаков сорных растений (табл.1).

Таблица 1 - Влияние типов увлажнения на морфометрические показатели сорняков

Тип увлажнения	Признаки
	Ярус	Ср. площадь лист. поверхности	Сумма площади листовой поверхности	Ср. масса 1 растения	Сумма массы	Ср. число побегов	Сумма побегов	Встречаемость	Жизнеспособность	Число видов растений
Продолжение табл. 1
1	3.7	381.3	23.4	7.7	1.2	0.7	0.2	9.7	4.4	89
2	3.4	478.1	32.1	9.7	1.4	0.9	0.3	13.1	4.5	89
3	3.1	545.6	36.6	10.9	1.7	1.3	0.4	14.8	4.6	89
4	2.9	586.8	54.2	11.9	1.8	1.4	0.4	16.3	4.6	89
5	2.6	686.6	84.2	14.6	2.2	1.7	0.5	16.9	4.8	89

Идентификация влияния увлажнения на структуру засоренности проводилась с помощью дискриминантного анализа, где в качестве группировочного фактора выступал уровень увлажнения вегетационного периода. Для учета влияния антропогенных факторов на структуру агрофитоценоза имеющиеся данные дополнили вкладами видов, например, в биомассу ценоза, а также провели упорядочение по действию изучаемых факторов.

В результате дополнительной статистической обработки получили образование сорных растений из шести групп.

Так, типичными представителями первой группы оказались Artemisia vulgaris L., Linaria vulgaris Mill. и др. Типичными представителями второй группы оказались Artemisia campestris L., Centaurea scabiosa L.. Типичными представителями третьей группы оказались Cirsium vulgare (Savi) Ten., Cirsium setosum (Willd.) Bess. и др. В четвертую группу вошли растения, подобные Stellaria media (L.) Vill., Lappula squarrosa (Retz.) Dum. В пятую группу вошли растения мощные растения первого-второго ярусов Sonchus arvensis L., Cannabis sativa L. и др. В шестую группу вошли мелкие растения нижних ярусов агрофитоценоза, которые лишь благодаря исключительной выносливости и мощным механизмам возобновления побегообразования представляют постоянный компонент насаждения: .Berteroa incana (L.) DC, Lepidium ruderale L., Stellaria longifolia Muehl.ex.Willd. и др.

Поскольку проекции объектов шести групп составляют компактные непересекающиеся множества, неоднородность популяции сорняков по габитусу растений очевидна. Объединение параметров внутри групп позволило рассчитать среднюю массу растения в группе. Сопоставление ее со средним увлажнением годов позволило идентифицировать эмпирические и регрессионные зависимости массы одного сорного растения от степени увлажнения (рис. 3).

Рис. 3- Зависимость групп сорных растений (по средней массе одного растения) от степени увлажнения

Установлено, что максимальные антропогенные нагрузки в виде вспашки и комплексного применения химических средств защиты основной культуры пока справляются с массовым заселением зернового агрофитоценоза сообществом сорных растений. Но в то же время, применяемые гербициды явно не справляются с вьюнком полевым, льнянкой, молочаем, полынями и другими сорными растениями, усиливая тем самым дифференциацию сообщества сорняков в агрофитоценозе.

Для предварительной оценки и прогноза, общую фитомассу сорняков по имеющимся материалам приблизительно установили перемножением встречаемости данного вида на среднюю массу одного растения.

Проведена оценка зависимости массы сорняков от предшествующей засоренности и увлажнения текущего года. Таких экспериментальных случаев оказалось 23240. По ним были произведены регрессионные расчеты, отраженные на рисунке 4

Рис. 4- Тренд нарастания общей фитомассы сорняков за 1997-2004 гг.

Вычисления отразили в формуле прогноза:

My=3.92Чmt+0.501Чw; R=0.96

где, Му - общая фитомасса сорных растений;

m - средняя масса одного сорного растения;

t - время;

w - уровень антропогенных нагрузок.

Так, в среднем за восемь лет изучения в среднем, сохранение режима использования, сложившегося в севообороте в течение года приводит к учетверению (3,92) массы сорняков.

Таким образом, доказано, что разные типы увлажнения оказывают достоверное влияние на сообщество сорных растений. Типы увлажнения в основном определяют преимущество той или иной группировки сорных растений перед другими. С учетом предшествующей засоренности и увлажнения текущего года, сохранение антропогенной нагрузки на прежнем уровне приводит к учетверению (3,92) фитомассы сорных растений.

Адаптации сорных растений к антропогенным нагрузкам

Эдафо-климатические приспособления

Для исследования устойчивости видов сорных растений использовали прямой градиентный анализ, разработанный школой уфимских фитоценологов под руководством Б.М.Миркина (1989). В системе основной обработки почвы (СООП) последовательно происходит падение интенсивности её обработки до полного отсутствия (нулевая зяблевая обработка почвы). В градиенте химической нагрузки постепенно происходит увеличение числа применяемых средств защиты растений до полного комплекса (инсектициды, гербициды, фунгициды, ретарданты, минеральные удобрения). Введены четыре класса, отражающие тенденцию более частой встречаемости тех или иных видов сорной растительности на вспашке, безотвальной, минимальной и нулевой обработках. Подгруппы характеризовали относительную устойчивость сорных видов растений к градиенте химической нагрузки. Схема классификации видов показана в таблице 2.

Обнаружено, что при увеличении механического воздействия на почву увеличивается число и постоянство видов, имеющих относительную устойчивость к химическим обработкам.

Таблица 2 - Схема классификации сорных растений по их отношению к системе основной обработки почвы (СООП) и уровню химической нагрузки

СООП	Устойчивость к химической нагрузке
	без химической нагрузки (a)	гербициды (b)	удобрения +фунгициды (c)	удобрения+гербициды+фунгициды (d)
Вспашка (I)	Ia	Ib	Ic	Id
Безотвальная (II)	IIa	IIb	IIc	IId
Минимальная (III)	IIIa	IIIb	IIIc	IIId
Нулевая (IV)	IVa	IVb	IVc	IVd

Морфологические приспособления

Установлено, что минимальные зяблевые обработки почвы способствуют развитию в большей степени сорные растения с розеточным типом побегообразования. Они занимают 36.0 % от общего числа сорных растений. Второе место занимают безрозеточные (33.7 %), третье - полурозеточные растения (30.3 %), что хорошо согласуется с установленными закономерностями развития безрозеточных и розеточных растений и их тесной взаимосвязи с экологическими условиями среды. Более прогрессивный, с точки зрения растения, розеточный тип побегообразования может противостоять наиболее неблагоприятным условиям в агрофитоценозе. Подавляющее большинство видов являются симподиальными, на долю моноподиальных сорняков приходится только 4.5 % от всего видового разнообразия.

Выяснилось, что по характеру перезимовки при почвозащитном земледелии летнезеленые сорные растения составляют 64.1 %, зимнезеленые - 27%, вечнозеленые - 8.9 %. Количество летнезеленых сорных растений уменьшается по мере минимизации обработок почвы, что связано с большими конкурентными способностями зимнезеленых и вечнозеленых сорняков. Вечнозеленые растения чаще всего укоренялись на вариантах с нулевой зяблевой обработкой и полностью отсутствовали на минимальной обработке.

Установлено также, что к моменту созревания яровой пшеницы (25 декада от начала года), основная масса сорных растений ещё не закончила формирования генеративных побегов, а их отмирание происходит значительно позже. Это очень важный факт, который необходимо учитывать в почвозащитном земледелии, так как семена сорных растений будут сосредотачиваться на поверхности почвы, либо заделываться неглубоко.

Ритмофенотипические приспособления. В составе сорного сообщества зернового агрофитоценоза обнаружено 20 групп растений с различными ритмами цветения. Наибольшее число сорных растений в зерновом агрофитоценозе лесостепи Приобья цветет в три срока: ранне-среднелетний (16,4%) период, летний (13,5%) и среднепозднелетний (13,5%) период. Общий срок цветения 43.4% сорных растений агрофитоценоза растягивается на три летних месяца. Оставшиеся 52,6% занимают сорные растения с летне-осенним фенотипом цветения. Эта группа сорных растений характерна для почвозащитных приемов обработки почвы. А если учесть широкое распространение вторичного цветения, приходящегося на вторую половину вегетационного периода, то говорить о фенологической насыщенности агрофитоценоза не приходится. Нельзя судить о степени фенологической насыщенности также на основании только распределения во времени цветения. Во вторую половину лета совершаются важнейшие в биологическом отношении процессы созревания плодов и семян, которые также являются элементами фенологического развития сорных растений.

Рассматривая динамику отмирания генеративных побегов, установлено, что в течение июня генеративные побеги отмирают у небольшого сорных растений (18 декада) (рис. 5).

Но уже с первой декады июля и вплоть до конца октября ежедекадно генеративные побеги отмирают у значительного числа видов. В третьей декаде октября происходит отмирание побегов у наибольшего числа видов (17.9%). Для сравнения, в естественных экосистемах лесостепи, максимальное значение этого показателя приходится на 27 декаду, т.е. на месяц раньше, что вызвано, вероятно, вторичными процессами цветения в агрофитоценозе, стимулированными антропогенными нагрузками.

Рис. 5 - Динамика отмирания генеративных побегов сорных растений в зерновом агрофитоценозе, 2001-2003 гг.

Таким образом, к моменту созревания яровой пшеницы (25 декада), основная масса сорных растений ещё не закончила формирования генеративных побегов, а их отмирание происходит значительно позже. Это очень важный факт, который необходимо учитывать в адаптивно-ландшафтном земледелии, так как семена сорных растений будут сосредотачиваться на поверхности почвы, либо заделываться неглубоко.

Основные ассоциации сообщества сорных растений в зерновом агрофитоценозе

Классификация сообществ сорных растений

Для анализа сорной растительности в зерновом агроценозе, мы воспользовались наиболее приемлемой для наших исследований классификацией Б.М. Миркина с соавторами (1985). На основании диагностических комбинаций высших единиц сегетальной растительности, были выбраны диагностические виды, характерные для агрофитоценозов лесостепи Приобья. Основную диагностическую роль несут геофиты, которые в меньшей степени подвержены влиянию основной культуры, а постоянство терофитов изменяется в больших пределах, они по этой причине были повторно использованы при различении ассоциаций и субассоциаций.

Поскольку почвенно-климатические условия на полевом стационаре из года в год сходные, то на формирование ассоциаций сегетальных сообществ основное влияние оказывал долговременный (в течение 18 лет) неизменный агроценотический фактор. Число ассоциаций по этой причине невелико - 8. Ассоциации разделены на субассоциации также по видам-индикаторам изменения уровня агроценотических нагрузок и отражают систему основных обработок почвы и систему химической защиты основной культуры.

Ассоциация Lactucetum tataricae имеет преимущественное постоянство в годы с острозасушливым типом увлажнения, когда сумма положительных температур вегетационного периода ?t > 10°С находится в пределах 2060 - 2160°С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значению < 0.58. Видовая насыщенность и проективное покрытие во всех полях севооборота низкие и варьируют от 3-х видов и 7 % в механическом пару до 13 видов и 27 % в посевах бессменной пшеницы почти на всех вариантах основной обработки почвы и химической защиты основной культуры

Ассоциация Lathyro-Lactucetum tataricae характеризует сообщество, наиболее распространенное на парах и на поле с бессменной пшеницей. Видовая насыщенность гораздо выше, чем в предыдущей ассоциации. Преимущественное постоянство имеет в годы с коэффициентом увлажнения Ку в пределах от 1.0 до 1.27. Отмечено в разные годы от 24 до 42 видов сорных растений, принадлежащих к данной ассоциации. Проективное покрытие также колеблется от 4 - 10 % на парах в севообороте до 50 % на вариантах с нулевой обработкой в поле с бессменной пшеницей.

Ассоциация Cannabio-Sinapetum. Ассоциация входит в союз Galeopsion bifida. Это самый богатый в видовом отношении союз. Представители союза имеют преимущество в прохладные и умеренно-влажные годы, когда сумма положительных температур ?t > 10°С находится в пределах < 1630. Проективное покрытие сорных видов сообществ ассоциации варьирует от 4 - 9 % в посевах озимой ржи и на парах до 35 - 48 % в посевах яровой пшеницы севооборота и на бессменной пшенице. Видовая насыщенность 14 - 22 вида.

Ассоциация Galeopsetum bifidae. Ассоциация входит также как и предыдущая в союз Galeopsion bifida. Преимущество имеет в годы, когда сумма положительных температур ?t > 10°С за вегетационный период колеблется в пределах от 1630 до 1770 °С. Представители этой ассоциации имеют большую моду постоянства на озимой ржи и на яровой пшенице в системе севооборота и вне её, причем одинаково хорошо переносят как вспашку так и мелкое плоскорезное рыхление. Ассоциация в целом, менее устойчива к химическим обработкам в сравнении с Cannabio-Sinapetum. Проективное покрытие сорных видов от 3 - 17 % на озимой ржи до 7 - 56 % на яровой пшенице.

Ассоциация Lactuco-Artemisietum имеет преимущественное постоянство в годы с умеренно-дефицитным типом увлажнения, когда сумма положительных температур ?t > 10°С находится в пределах 1770-1860 °С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значениям 0.79 - 1.0. Проективное покрытие 7 - 36 %, видовая насыщенность 8 - 21 видов.

Ассоциация Lactuco-Carduetum имеет высокое постоянство на нулевых обработках почвы в посевах пшеницы второй и третьей культуры после пара и на полях с бессменной пшеницей в дефицитные по типу увлажнения годы, когда сумма положительных температур ?t > 10°С находится в пределах 1860-2060°С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значениям 0.58 - 0.79. Видовая насыщенность ассоциации Lactuco-Carduetum высокая 19 - 35 видов, проективное покрытие достигает 45 %.

Сорные растения ассоциации Cirsio-Potentilletum, не имеют четко выраженной приуроченности к определенному типу увлажнения вегетационного периода. Сорные растения этой ассоциации способны развиваться в посевах озимой ржи и яровой пшеницы в системе севооборота и вне её в годы, когда сумма положительных температур ?t > 10°С находится в пределах от 1630 до 1860 °С. Связано это отчасти с многочисленными доминантными видами, представляющими ассоциацию. Видовая насыщенность сегетальных сообществ ассоциации высокая - 22 - 33 вида, что связано с резким увеличением числа гемикриптофитов на минимальной и нулевой зяблевыми обработками и относительно неустойчивыми к гербицидным обработкам. Проективное покрытие также высокое - 32 - 45 %.

Ассоциация Matricario-Taraxacetum officinalis имеет высокое постоянство на нулевых обработках почвы в посевах яровой пшеницы в системе севооборота и вне его в умеренно переувлажненные годы, когда сумма положительных температур ?t > 10°С находится в пределах < 1630°С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значению > 1.27. Видовая насыщенность 13 - 26 видов, что связано с тем, что в условиях достаточного увлажнения создаются оптимальные экологические условия для благоприятного развития основной культуры, которая успешно конкурирует с засорителями. Проективное покрытие сорных видов колеблется от 4 - 6 % в посевах пшеницы - второй культуры после пара, до 33 % в пшенице - бессменной культуре

Таким образом, выделенные ассоциации дифференцированы в основном по гемикриптофитам и гемитерофитам, наиболее адаптированным к условиям почвозащитных обработок почвы и учитывая современную тенденцию к минимизации, вплоть до полного отказа от основной обработки почвы в земледелии Приобья, при возделывании зерновых культур на выщелоченных черноземах, все большее значение станут приобретать сорные растения, вышеназванных ассоциаций. Они являются также относительно устойчивыми к различной степени химической нагрузки, вплоть до использования полного комплекса защиты растений.

Особенности сукцессии сообществ сорных растений агрофитоценозе

Мы имеем дело с вторичными автогенными сукцессиями, происходящими в зернопаровом пятипольном севообороте 1986 - 1990 гг. исследований и четырёхпольном с пятым полем бессменной пшеницы - в 1991-2004 гг. четырехпольном зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице.

В своих рассуждениях исходим из представления об обусловленности смены видов сорной растительности наличием полного набора почвенного банка семян и считаем, что варианты с минимальной и нулевой зяблевыми обработками почвы с полным комплексом химической нагрузки при возделывании зерновых культур являются эталонными. Результаты анализа факторов, влияющих на характер сукцессии на сорное сообщество в зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице показаны в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты дисперсионного анализа влияния факторов сукцессии сорного сообщества в зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице

Показатели	Доли дисперсии факторов
	А	В	С	АВ	ВС	АС
Число видов	0.12	0.15	0.70	0.05	0.03*	0.05
Фитомасса	0.09	0.11	0.25	0.26	0.33	0.19
Общее проективное покрытие	0.10	0.19	0.33	0.12	0.01*	0.05
Плотность	0.15	0.14	0.38	0.07	0.04*	0.06
Примечание - А- система основной обработки почвы, В-уровни химической нагрузки , С-сукцессионное время * - cила влияния фактора недостоверна на Р<0.95

Установлено, что изучаемые факторы - система основной обработки почвы и уровни химической нагрузки посевов существенно влияли на характер сукцессии, вклад в вариацию признаков сорного сообщества был также достоверным. На основании сравнения четырех ротаций зернопарового севооборота убедительно показано, что главным фактором, определяющим видовой состав сорного сообщества растений является фактор сукцессионного времени.



Рис.6 - Долевое участие ассоциаций сорного сообщества зернопарового севооборота и бессменной пшеницы в ходе сукцессии на вариантах без зяблевой обработки почвы при полном комплексе химической нагрузки посевов:1 - Lactucetum-tataricae; 2 - Lathyro-Lactucetum tataricae; 3 - Cannabio-Sinapetum; 4 - Galeopsetum bifidae; 5 - Lactuco-Artemisietum austriacae; 6 - Cirsio-Potentilletum impolitae; 7 - Lactuco-Carduetum crispi; 8 - Matricario-Taraxacetum officinalis.

Система зяблевой обработки почвы и полный комплекс химической нагрузки оказывали достоверное статистическое влияние в формировании видового состава сорной флоры.

Сукцессии сообщества сорных растений в почвозащитном земледелии протекают в соответствии с моделью толерантности, когда за счет повышения общего уровня конкуренции и дифференциации ниш виды сегетальной ориентации постепенно вытесняются видами естественных сообществ гемикриптофитами и гемитерофитами. Сукцессионные процессы в зернопаровом севообороте проследили на примере ассоциации Lactucetum-tataricae. Это типичное сообщество сорных растений на эталонных вариантах без зяблевой обработки почвы и полным комплексом химической нагрузки посевов занимает в ротацию (1991-1994) 51% от общего обилия видов, с большим перевесом геофитов и терофитов в своем составе (до 67%). В ротацию за 1995-1998 годы продолжается постепенное снижение доли ассоциации Lactucetum-tataricae в засорении рассматриваемых эталонных вариантов и наблюдается перераспределение экологических ниш. К концу ротации 1999-2002 годов уже не отмечалось явного преобладания ни у одной растительной ассоциации, в то время как доля гемикриптофитов по отношению к остальным группам сорняков составила 71% (рис.6).

...