Особенности биопродукционных процессов в смешанных агроценозах, различающихся пространственной структурой и соотношением компонентов

Прохоров В.Н.¹к.б.н., Ламан Н.А.¹д.б.н., Шашко К.Г.² к.б.н., Кравченко В.М.² к.б.н., Росоленко С.И.¹, Тимофеева И.В.¹

¹Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф.Купревича НАН Беларуси, Минск

²Институт земледелия и селекции НАН Беларуси,  г.Жодино, Беларусь

Важная цель устойчивого сельского хозяйства (Sustainable agriculture) состоит в создании и поддержании биоразнообразия в сельскохозяйственных экосистемах, используя в качестве модели принципы, заложенные в природе, в то время как монокультуры представляют классический пример пути снижения уровня биологического разнообразия [1]. Так, из 150 видов растений, используемых в пищу, 15 обеспечивают более чем 90 % мирового продовольствия, а три из них (рис, кукуруза, пшеница) дают 2/3 от общего объема. Игнорирование принципа биологического разнообразия во многом определило негативные последствия техногенной интенсификации растениеводства. Большинство практикуемых индустриальных технологий в растениеводстве, противоречат принципам организации и функционирования природно-естественных ландшафтных структур – экосистем [2]. В этой связи для человечества как никогда необходим поиск альтернативных технологий, которые меньше зависят от использования полезных ископаемых. Поэтому акцент должен ставится на разработку сложных сельскохозяйственных систем, в которых взаимодействия между биологическими компонентами заменяют внешние вложения ресурсов, способствуя нормальному функционированию механизмов, увеличивающих продуктивность агроценозов и обеспечивающих защиту растений. В связи с этим сельское хозяйство будет прогрессировать за счет достоинств, которыми природа наделила растительные смеси и многовидовые сообщества [3]. Однако исторически сложилось так, что практика поликультур считается примитивной, а на смену ее должны были прийти чистые посевы в результате естественного и неизбежного развития сельского хозяйства. Совсем недавно мы осознали, что смешанные посевы не только широко распространены (на более чем 50 % всех сельскохозяйственных земель), но и имеют большое значение во всех регионах мира. Благосостояние большинства фермеров в мире, особенно в областях, расположенных в тропических регионах, зависит от продуктивности смешанных посевов. В тропиках смешанные посевы занимают от 17% (Индия) до 94% (Малави) возделываемой земли. Почти 100% коровьего гороха в Африке, 70-80% бобов, 60% кукурузы в Латинской Америке выращиваются в смесях. В настоящее время существует большое количество примеров широкого распространения смешанных посевов в современных индустриальных странах: пшеница с соей или бобами; кукуруза с соей или бобами; сорго с соей; возделывание зерновых культур с овощами и т.д. В Дании рассматривают смешанные культуры в качестве основных путей по решению проблемы дефицита растительного белка и сбалансированности кормов, поскольку в соответствии с новыми правилами к 2005 году страны ЕС должны быть полностью обеспечены растительным белком [1].

Очевидно, что поликультура предлагает решения многих проблем, свойственных монокультурному производству, таких как: снижение устойчивости к антропогенным воздействиям; уменьшение экономического дохода; сложности в борьбе с болезнями и вредителями; сокращение биологической вариабельности; снижение уровней продуктивности и качества получаемой продукции и др. [4]. В этой связи поликультура становится важнейшим резервом адаптивного пути интенсификации земледелия. Однако, несмотря на огромное количество исследований, проводимых в различных странах мира по данной проблеме, многие вопросы не только остаются дискуссионными, но по-прежнему далеки от решения. Комбинации компонентов смесей, стабильно дающие трансгрессивные отклонения в урожайности, выявляются либо в результате многолетних трудоемких полевых экспериментов, либо чисто интуитивно. Только создание экологически обоснованной методологической базы позволит значительно сократить время на обоснование оптимальных конструкций смешанных агроценозов.

В связи с этим целью наших исследований являлось изучение закономерностей формирования смешанных злаково-бобовых агроценозов, различающихся пространственной структурой и соотношением компонентов, напряженностью межвидовых и внутривидовых конкурентных отношений. Для выполнения поставленных задач проведено обоснование наиболее перспективных экспериментальных схем, унификация методов закладки опытов и оценки эффективности смесей [5], создана специальная посевная машина, позволяющая реализовать в производственных условиях практически любые комбинации бинарных посевов. Исследования с бинарными смесями выполнены на опытном поле Института земледелия и селекции НАН Беларуси (э/б «Жодино»). Объектами исследования служили  озимые (пшеница, тритикале, рожь) и яровые (ячмень, овес) хлебные злаки, озимая вика и различные морфотипы  гороха и люпина узколистного. Соотношение компонентов устанавливали, исходя из общепринятой оптимальной нормы высева каждой культуры в чистых посевах. Эксперименты проведены по схеме замещения. В этом случае часть одной из культур смеси дополняли эквивалентной частью другой. Например, вариант с соотношением компонентов 50:50 означает, что норма высева каждого из компонентов составляет 50% от таковой для каждого из них в чистом посеве. Изменение пространственной структуры ценоза при постоянном соотношении компонентов достигалось высевом их одновременно в общий рядок (50:50%) или чередованием рядков (1:1, 2:2), в которые высевался один из компонентов.

Анализ многолетних экспериментальных данных с различными злаково-бобовыми смешанными агроценозами показал, что если при пространственной структуре ценоза, созданной путем высева семян в общий рядок, хозяйственная продуктивность злака в основном возрастает с увеличением его доли в посеве, то при черезрядном размещении компонентов в некоторых вариантах, наоборот, отмечается снижение (табл.1). Так, с увеличением числа смежных рядков ярового ячменя с 2 до 3 (количество растений злака на площади возрастает с 67 до 75%) фактическая урожайность снижается на 0,8 ц/га, а с 2 до 4 при двух смежных рядках гороха - на 0,5 ц/га. Данная закономерность имела место и в опытах с другими культурами.

Таблица 1 Ожидаемая и фактическая урожайность ярового ячменя сорта Гонар в смесях с горохом усатого морфотипа сорта Белус

Вариант опыта	Урожайность, ц/га						Прирост хозяйственной продуктивности смеси в % к расчетной ожидаемой
	ячмень		горох		Смесь
	ожи-дае-мая	фак-тическая	ожи-даемая	фак-тиче-ская	ожи-даемая	фактическая
Ячмень, 100%	-	48,6	-	-	-	-	-
Горох, 100%	-	-	-	30,7	-	-	-
1:1	24,3	34,2	15,4	12,7	39,7	46,9	18,1
2:1	32,6	40,1	10,1	7,9	42,7	48,0	12,4
3:1	36,5	39,3	7,7	7,6	44,2	46,9	6,1
2:2	24,3	31,7	15,4	12,8	39,7	44,5	12,1
4:2	32,6	31,2	10,1	13,9	42,7	45,1	5,6
6:2	36,5	40,1	7,7	8,5	44,2	48,6	10,0
50:50 %	24,3	27,4	15,4	15,9	39,7	43,3	9,1
67:33 %	32,6	37,5	10,1	11,6	42,7	49,1	15,0
75:25 %	36,5	43,4	7,7	7,4	44,2	50,8	15,0

Установлено, что в посевах, состоящих из трех смежных рядков злака и одного бобового, имеет место сильное угнетение растений центрального рядка крайними. Снижение мощности растений центрального рядка проявляется в резком уменьшении их надземной биомассы, высоты и продуктивной кустистости. По биомассе крайние рядки превышают центральные на фазе колошения почти в 1,4 раза. Анализ структуры урожая показал, что в результате внутривидовой конкуренции у растений центрального рядка наблюдается снижение массы 1000 зерен, количества зерен в колосе и на растении, и в конечном итоге хозяйственной продуктивности (в 1,26 раза). Такая же закономерность отмечена и в варианте 4:2. Для оценки внутривидовых конкурентных отношений заложены полевые опыты с постепенным увеличением числа смежных рядков злака и одним рядком бобового компонента (1:1; 2:1; 3:1; 4;1; 5:1; 6:1; 7:1; 8:1; 9:1). Исследования показали наличие волнового характера изменения хозяйственной продуктивности посева с увеличением числа смежных рядков злакового компонента с 1 до 9 (рис.1), причем направленность данного процесса определяется особенностями конкурентоспособности культур – компонентов.

Рис. Влияние пространственной структуры и соотношения компонентов на хозяйственную продуктивность озимой пшеницы в зависимости от  проявления ее конкурентоспособности в смесях, 2000 г.

Условные обозначения: 1-9 – число рядков злака от 1 до 9, Кп – чистый посев злака; сплошная линия - продуктивность пшеницы в смесях, где она менее конкурентоспособна; пунктирная – более конкурентоспособна.

Так, хозяйственная продуктивность озимой пшеницы в смесях, где она является более конкурентоспособной в отношении другого компонента (по величине коэффициента конкурентоспособности, CR), была максимальной в вариантах с четным числом рядков злака. В смешанных посевах, в которых пшеница по конкурентоспособности уступает бобовому компоненту, наоборот, более высокая продуктивность отмечается в вариантах с нечетным числом рядков злака. Данная закономерность получена и в полевых опытах, проведенных с другими злаковыми и зернобобовыми культурами. Такой характер влияния пространственного расположения компонентов на хозяйственную продуктивность смешанных агроценозов определяется особенностями внутривидовой конкуренции в смежных рядках злака в зависимости от баланса межвидовой конкуренции компонентов [6]. Анализ литературных данных, посвященных исследованиям смешанных агроценозов, сформированных чередующимися рядками культур - компонентов, подтвердил полученные нами результаты [7,8]. Так, в исследованиях смесей арахиса с голубиным горохом и нута с индийской горчицей, в которых арахис и нут являются менее конкурентоспособными в данных парах компонентов, максимальная продуктивность получена в вариантах с нечетным (3:1) числом рядков (табл.2).

 

Таблица 2 Влияние пространственной структуры и соотношения компонентов на хозяйственную продуктивность компонентов отдельных смесей в Индии

Варианты опыта	Соотношение компонентов, %	Хозяйственная продуктивность смешанного посева арахиса с голубиным горохом, кг/га [7]			Хозяйственная продуктивность смешанного посева нута с индийской горчицей, кг/га [8]
		арахис	голубиный горох	общий урожай смеси	нут	индийская горчица	общий урожай смеси
3:1	75:25	980	1470	2450	1819	904	2723
4:1	80:20	970	1300	2270	1519	986	2505
Чистый посев	100	1620	1990	-	2424	2053	-

 

Из таблицы видно, что, несмотря на увеличение степени насыщения смесей нутом и арахисом  с 75 до 80%, происходит снижение их продуктивности, обусловленное усилением внутривидовой конкуренции при такой схеме пространственного размещения компонентов. Таким образом, найденные закономерности направленности внутривидовой конкуренции в зависимости от характера межвидовой позволяют выделить варианты с высокой продуктивностью уже на начальных этапах планирования экспериментов со смешанными агроценозами.

 

Литература

1. Salcini M.C., Holdensen L., Lowman S.K., et.al. Organic grain intercropping in Denmark. - 2002.

2. Тюрюканов А.Н., Федоров В.М. Вестник грядущего естествознания // Почвоведение. – 1996. - N 3. - С.243-249.

3. Altieri M.A. Agroecology: The Scientific Basis Of Alternative Agriculture. -1995.

4. Geno L., Geno B. Polyculture Production. Principles, Benefits and Risks of Multiple Cropping Land Management Systems for Australia 2001. A report for Rural Industries Research and Development Corporation. RIRDC Publication No 01/34/ RIRDC Project No AGC-3A.

5. Ламан Н.А., Самсонов В.П., Прохоров В.Н. и др. Методическое руководство по исследованию смешанных агрофитоценозов. - Минск, 1996. - 101 с.

6. Прохоров В.Н., Ламан Н.А., Шашко К.Г., Кравченко В.М. Особенности конкурентных отношений в смешанных агроценозах в зависимости от пространственного размещения компонентов // Регуляция роста, развития и продуктивности растений: Материалы III Межд. конф. – Минск, 2003. -С.107-108.

7. Jagannath M.K., Sunderaraj N. Productivity equivalent ratio and statistical testing of its advantage in intercropping // J. Indian Soc. Agric. Stat. - 1987. - Vol.39. N 3. - P.289-300.

8. Menta O.P., Bhola A.L., Bagga R.K. Intercropping of Indian mustard (Brassica juncea) with chickpea (Cicer arietinum) in semi-arid tropics of north India // Indian J. Аgr. Sc. – 1990. - Т. 60, N 7. - P.463-466.