Агрофизический институт: от физических исследований к практике растениеводства (1932-2017). Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Биологические особенности ответа культур овощного севооборота на точные системы удобрения
Статья научная
В агрофитоценозе существенную роль в пространственно-временнóй изменчивости условий произрастания играет неоднородность свойств почв, отмечаемая практически повсеместно. Эффективным инструментом управления продуктивностью культур в таких условиях должны стать точные системы удобрения. Их потенциал наиболее перспективен в благоприятных почвенно-климатических условиях северо-запада России при возделывании овощных культур. В выполненном нами стационарном микрополевом двухфакторном опыте в сосудах без дна площадью 1 м2 искусственно сформировали верхнюю часть почвенного профиля (горизонты пахотный Апах. - 0-22 см и А2В - 22-40 см), моделируя реально существующую литогенную мозаику агродерново-подзолис-тых песчаных, супесчаных, легкосуглинистых и среднесуглинистых почв слабой и хорошей степени окультуренности. Их минимальные, максимальные и средневзвешенные показатели в Апах. были следующими: рНKCl - 4,34-6,35 и 5,40, содержание гумуса (по Тюрину) - 0,92-2,50 и 1,72 %, подвижных соединений фосфора и калия (по Кирсанову) - соответственно 125-550 и 390 мг/кг и 22-400 и 209 мг/кг. Исследовали культуры овощного севооборота редька черная ( Raphanus sativ- us L.)-картофель ( Solanum tuberosum L.)-свекла столовая ( Beta vulgaris L.)-капуста белокочанная ( Brassica oleracea L.)-морковь столовая ( Daucus sativus L.). Сравнивали эффект органоминеральных систем удобрения - зональной (ЗСУ, равномерное внесение удобрений) и двух точных (ТСУ-1 и ТСУ-2). В ЗСУ дозы удобрения по культурам определялись почвенными характеристиками: для редьки - известь (4,5 т/га) + N95Р20К125; картофеля - навоз (45 т/га) + N100Р30К90; свеклы - N130Р50К150; капусты - известь (2,1 т/га) + навоз (50 т/га) + N120Р10К90; морковь - N100Р40К130. В ТСУ-1 за 2 мес до посева редьки выполняли точное окультуривание почвы (внесение мелиорантов и удобрений: известь - 0-20 и 6,6 т/га; торф низинный - 0-900 и 390 т/га; фосфоритная мука - 0-750 и 94 кг/га по д.в.; сульфат калия - 0-1710 и 407 кг/га по д.в.). Далее органические и минеральные удобрения применялись в этом варианте перед посевом (посадкой) равномерно: для редьки - N70К60; картофеля - навоз (45 т/га) + N80К100; свеклы - N100Р30К130; капусты - навоз (50 т/га) + N100Р10К70; моркови - N100Р10К120. В ТСУ-2 все дозы в среднем были теми же, что в ЗСУ, но дифференцировались по каждому сосуду с учетом фактических свойств почвы. Повторность опытов 4-кратная. В полевом эксперименте точные органо-минеральные системы удобрения обеспечили повышение продуктивности овощного севооборота с 22,3 и 43,5 т/га зерновых единиц в контроле и ЗСУ до 47,9-49,4 т/га. Коэффициент вариации продуктивности севооборота снижался с 32 и 16 % в контроле и ЗСУ до 9 %, натуральная окупаемость удобрений повысилась на 21-49 %. Ответ культур на точные системы удобрения зависел от биологических особенностей, агротехники и почвенных условий. По убыванию отзывчивости культуры формировали ряд: редька черная > морковь столовая » свекла столовая > картофель > капуста белокочанная. Отдача от точных систем удобрения относительно зональной снижалась при равномерном внесении высоких доз органических удобрений. Достоверное преимущество ТСУ-1 перед ТСУ-2 установлено только для столовых корнеплодов - редьки, свеклы и моркови. При проектировании точных систем удобрения следует учитывать убывающую чувствительность культур к оптимизации (снижению) доз удобрений на хорошо окультуренных участках поля в ряду капуста белокочанная > свекла столовая > морковь столовая > редька черная > картофель. Благодаря модельной дифференциации доз мелиорантов и удобрений и комплексной оптимизации свойств почвы точные системы удо
Бесплатно
Статья научная
Сохранение благоприятного микробиологического и физического состояния почв с помощью новых рациональных мероприятий относится к числу приоритетных направлений устойчивого землепользования. Применение биоугля (БУ) в качестве органического мелиоранта - один из перспективных способов повышения качества и устойчивости почв благодаря секвестрации углерода и улучшению свойств почв. Биоуголь производят из различных типов биомассы с помощью медленного и быстрого пиролиза. Технологические условия пиролиза и тип биомассы оказывают решающее влияние на свойства БУ и его взаимодействие с почвами. Результаты многих исследований подтвердили позитивное влияние БУ на свойства почв и урожай культур. Тем не менее, существуют неопределенности в понимании влияния БУ на микробиологические процессы трансформации азота и углерода в почвах. В работе исследовали два типа БУ - БУ1 и БУ2, произведенные в результате медленного и быстрого пиролиза древесных отходов. Цели исследований заключались, во-первых, в выявлении различий в действии БУ1 и БУ2 на гидрофизические свойства супесчаной и тяжелосуглинистой почвы, во-вторых, в оценке влияния разного гранулометрического состава почв на степень воздействия БУ1 и БУ2 на нитрификацию и денитрификацию. В исследованиях использовали образцы глееватой аллювиальной супесчаной и тяжелосуглинистой почвы (Словакия). Количество БУ1 и БУ2, внесенного в почвы в пересчете на гектар, составляло 15 и 30 т. Водоудерживающую способность образцов измеряли с помощью мембранного пресса при потенциалах влаги от -0,1 до -300 кПа. Интенсивность нитрификации и денитрификации определяли по продуцированию закиси азота образцами почв в течение 48-часового инкубирования при температуре 25 °С и влажности, соответствующей 48-55 % полной влагоемкости. Результаты проведенных исследований показали, что внесение БУ1 и БУ2 в большей степени способствовало повышению водоудерживающей способности супесчаной, чем тяжелосуглинистой почвы во всем диапазоне потенциалов влаги. При этом увеличение водоудерживающей способности обеих почв было более высоким при использовании БУ2. Добавление БУ1 вызвало достоверное (p
Бесплатно
Имитационная модель агроэкосистемы как инструмент теоретических исследований
Статья научная
Механистический (экофизиологический) подход к имитационному моделированию формирования урожая предполагает рассмотрение сущности процессов и причинно-следственных связей в агроэкосистеме с описанием их динамики на основе физически интерпретируемых зависимостей (в отличие от логически интерпретируемых зависимостей при эмпирическом подходе) (A. Di Paola с соавт., 2016; Р.А. Полуэктов, 2010). Нами проанализировано потенциальное применение динамических имитационных процесс-ориентированных (механистических) моделей агроэкосистем в прикладной и теоретической сельскохозяйственной биологии. Имеющийся опыт разработки и использования таких моделей показывает, что они более приспособлены для исследовательских целей, но менее полезны и востребованы в практической агрономии. На конкретных примерах в компьютерных экспериментах с разработанными авторами моделями продемонстрирована возможность получения нетривиальных результатов, не заложенных напрямую в логику алгоритмов моделей (V. Badenko с соавт., 2014; S. Medvedev с соавт., 2015). Обсуждается роль имитационной модели как научного инструмента приобретения нового знания об объекте и интерпретации эмпирически наблюдаемых явлений. Для демонстрации потенциала имитационного моделирования в сельскохозяйственной биологии рассмотрены результаты исследований авторов по анализу причин проявления немонотонной формы у функции отклика урожайности на дозы внесения азотных удобрений, по интерпретации эффекта тайминга при управлении азотными подкормками по листу и по изучению совместного влияния водного и азотного стресса на продуктивность посевов культур. На основании данных литературы проанализированы перспективы применения моделей как современного элемента селекционного процесса для его ускорения. Делается вывод о том, что необходимым условием успешного развития динамического моделирования служит биологизация имеющихся моделей, а также существенное повышение научной обоснованности подходов при описании биотических процессов в системе почва-растение-атмосфера.
Бесплатно
Модельная оценка пространственного распределения устьичной проводимости у кормовых трав
Статья научная
Устьичная проводимость (УП) - важный регулятор углеродного и водного обмена растений. Ее расчет используется в моделях фотосинтез-транспирация, а также для оценки роста и развития растений в экосистемах. Если рассматривать посев как «большой лист», то с учетом устойчивости приземного слоя воздуха УП определяется факторами окружающей среды. Внешние условия не только регулируют степень открытости устьиц, но и непосредственно влияют на транспирацию. Нами апробирована предложенная J.M. Blonquist с соавт. (2009) модель оценки УП на основе радиометрических показателей (температура растительного покрова, скрытый и явный потоки тепла как составляющие энергетического баланса посевов) и впервые показана ее применимость при использовании автоматизированных наземных измерений с помощью разработанного агрометеорологического комплекса в сочетании с дистанционным зондированием. Наблюдения проводили 15 и 31 мая 2016 года на поле с кормовыми травами (пос. Бугры, Ленинградская обл., географические координаты соответственно 60°5¢6²N, 30°25¢27²E и 60°5¢16²N, 30°24¢32²E). Входные агрометеорологические параметры (температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветрового потока, радиометрическая температура и радиационный баланс растительного покрова) фиксировали с помощью автоматизированного мобильного полевого агрометеорологического комплекса АМПАК (Агрофизический научно-исследовательский институт) с интервалом 90 с. Наземные измерения выполняли синхронно с дистанционным зондированием со спутника LandSat-8 (США; данные с LandSat-8 размещаются в свободном доступе на портале Геологической службы США - U.S. Geological Survey, https://www.usgs.gov/). Спутник оснащен целевой аппаратурой: OLI (Operational Land Imager), получает изображения в видимом (5 каналов) и ближнем инфракрасном (4 канала) диапазонах, TIRS (Thermal InfraRed Sensor) - в дальнем инфракрасном (тепловом) диапазоне (2 канала). Атмосферную коррекцию спутниковых снимков выполняли с помощью модели с открытым исходным кодом 6S (Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum), разработанной группой исследователей из разных стран. Для расчета в ней используются данные об аэрозольной оптической толщине атмосферы для l = 550 нм (доступны в системе MODIS) и глобальная цифровая модель рельефа ASTER GDEM (доступна на портале Геологической службы США). Составляющие энергетического баланса (радиационный баланс, поток тепла в почву, скрытый и явный потоки тепла) вычисляли по модели SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) (W.G.M. Bastiaanssen, 1998). При обработке спутниковых снимков проводили расчеты для значения пикселей с NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) > 0,7, что интерпретируется как густая растительность с сомкнутым покровом. Построенные тематические карты радиационного баланса, скрытого и явного потоков тепла использовали для оценки УП. В результате исследований получены тематические карты пространственного распределения устьичной проводимости в экосистеме (поле с кормовыми травами) в зависимости от температуры поверхности растительного покрова и составляющих теплового баланса с учетом стратификации приземного слоя воздуха
Бесплатно
Статья научная
Агрофизика как самостоятельная научная дисциплина сформировалась благодаря достижениям физики, математики, биологии и почвоведения, обеспечивших переход к агрономии, основанной на измерениях и расчетах факторов роста, развития растений и продуктивности посевов, на вычислениях агроприемов и технологий управления продукционным процессом в агроэкосистеме. В Агрофизическом институте проводятся исследования по компьютерному проектированию агротехнологий и контролю их применения в полевых условиях. Современная концепция точного земледелия предполагает использование прецизионной сельскохозяйственной техники с системами позиционирования и датчиками, географических информационных систем. В то же время она не может быть реализована без развития современных генетико-селекционных подходов, расширяющих возможности точного земледелия (на уровне как популяций, так и индивидуального растения в зависимости от эколого-географических условий), а также ускорения селекционного процесса по выведению сортов для адресного применения в технологиях точного земледелия. Так, в двух экспериментах, различающихся только режимом освещенности и температуры, идентифицировали 99 QTL (quantitative trait loci), определяющих 30 различных агрономически значимых признаков у яровой мягкой пшеницы. По результатам QTL- и однофакторного дисперсионного анализа установлено, что при изменении температурного режима и режима освещенности из 30 оцененных признаков 21 сохранял стабильность и только девять варьировали, что отражало зависимость их проявления от температурного режима и освещенности. Понимание эффектов картированных QTL создает предпосылки для анализа их идентифицированных корреляций и установления взаимодействия QTL-окружающая среда в естественных условиях. Использование этих данных в конкретных эколого-географических условиях способствует реализации генетических детерминант, определяющих проявление и физиолого-генетический контроль хозяйственно ценных признаков.
Бесплатно
Ферментативная активность и эмиссия закиси азота из дерново-подзолистой супесчаной почвы с биоуглем
Статья научная
В сельскохозяйственных исследованиях, связанных с применением биоугля, раскрытию механизмов его взаимодействия с почвой уделяется значительное внимание. Один из информативных подходов - анализ ферментативной активности почвы как наиболее чувствительного индикатора ее состояния. Для оценки влияния древесного биоугля на ферментативную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы и кумулятивную эмиссию закиси азота (N2O) мы провели 90-суточный лабораторный эксперимент, сравнив в 9-кратной повторности показатели в контроле (почва, К), в почве с биоуглем (Б), с минеральным удобрением (нитроаммофоска N16P16K16, N90) и при сочетании минерального удобрения с биоуглем (N90 + Б). Исследовали катализирующей эффект уреазы (карбамид-амидогидролаза, КФ 3.5.1.5), каталазы (H2O2:Н2О2-оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6), пероксидазы (1,2,3-пирогаллол:Н2О2-оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.7) и полифенолоксидазы (О-дифенол:кислород-оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.1). Выбор этих ферментов обусловлен их высокой чувствительностью к различным воздействиям и значимой ролью в трансформации органического вещества, от которой зависит цикл азота. Результаты исследований показали, что внесение биоугля в дозе 10 т/га достоверно (p 2O из почвы в 1,4 раза по сравнению как с контролем, так и с вариантом N90. Наличие биоугля в почве не оказывало существенного влияния на уреазную активность. В то же время активность изучаемых оксидоредуктаз в почве с биоуглем достоверно (p 2O и каталазной активностью были установлены высокие корреляционные связи ( r = 0,85 и r = 0,87 соответственно для Б и N90 + Б). Расчет соотношения активности полифенолоксидазы и пероксидазы свидетельствовал об усилении (на 10-13 %) процессов минерализации гумусовых веществ в присутствии биоугля по сравнению с показателями в вариантах без биоугля. Таким образом, биоуголь достоверно обусловил смену окислительно-восстановительных условий в почве, что нашло отражение в изменении активности оксидоредуктаз, усилении минерализации гумусовых веществ, уменьшении эмиссии N2O. Изученные ферменты и эмиссия N2O оказались чувствительными биоиндикаторами состояния почвы с биоуглем и могут быть использованы для экологической оценки эмиссии парниковых газов в системах землепользования
Бесплатно
