Программирование урожаев. Методические указания для выполнения расчетнографического задания
 Скачать 1.11 Mb.
|
|
Методические указания для выполнения расчетно-графического задания Щегорец О.В. РЕСУРСНАЯ УРОЖАЙНОСТЬПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ В УСЛОВИЯХ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОЙ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ ДальГАУ -2014 1.ПРОГРЕССИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Научно-технический прогресс представляет собой совершенствование техники, технологии, методов ведения производства, развитие производительных сил на основе применения научно-технических достижений. Научно-технический прогресс служит основой интенсификации общественного производства, в том числе повышения эффективности сельского хозяйства и в целом агропромышленного комплекса. Глубокие изменения в общественно-политической сфере, в социально-экономической жизни, что связано с многоукладностью сельскохозяйственного производства в условиях перехода к рыночной экономике, обострением экологических проблем на фоне большого количества землевладельцев, частной собственности на землю, определили необходимость совершенствования и развития новой системы земледелия. Так в конце ХХ века учеными РАСХН было разработано и сформулировано понятие адаптивно-ландшафтной системы земледелия (АЛСЗ) как категории, интегрирующей ландшафтный и эколого-адаптивный подходы. АЛСЗ – это система использования земли определенной агроэкологической группы, ориентированная на производство растениеводческой и животноводческой продукции экономически и экологически обусловленного количества и качества в соответствии с общественными (рыночными) потребностями, природными и производственными ресурсами, обеспечивающая устойчивость агроландшафта и воспроизводство почвенного плодородия. 1. Общественные (рыночные) потребности (рынок продуктов, потребности животноводства, требования переработки продукции). 2. Агроэкологические требования культур и их средообразующее влияние. 3. Агроэкологические параметры земель (природно-ресурсный потенциал). 4. Производственно-ресурсный потенциал, уровни интенсификации. 5. Хозяйственные уклады, социальная инфраструктура. 6. Качество продукции и среды обитания, экологические ограничения. В настоящее время АЛСЗ – это официально принятая система земледелия в нашей стране. Хотя, впервые идею адаптивно-ландшафтной системы земледелия высказали в Х1Х веке В. В. Докучаев его современники и последователи П. А. Костычев, А. А. Измаильский, В. Р. Вильямс. Основное условие системы заключается в том, что любые способы воздействия на почву в целях повышения ее плодородия должны применяться не изолированно одно от другого, а в тесной взаимосвязи, только в этом случае они дадут необходимый результат. АЛСЗ представляет собой развитие ранее сложившихся представлений и вбирает в себя прежние и новые понятия. Это определяется классификацией АЛСЗ, в которой они разделяются по агроэкологической принадлежности (зона, подзона, провинция, группа земель), по направлению растениеводства, уровню интенсификации, форме использования земли, ограничениям химизации. Обязательным условием проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия является формирование геоинформационных систем (ГИС) агроэкологической оценки земель по перечисленным параметрам. Из множества природных факторов при проектировании АЛЗС учитываются те, которые связаны с биологическими требованиями растений, а также те, которые определяют ландшафтные связи и соответственно устойчивость агроландшафтов. Чем выше уровень интенсификации земледелия тем большее количество агроэкологических факторов учитывается. Проектирование АЛСЗ основывается на системе агроэкологической оценки земель, которая включает следующие позиции: ландшафтно-экологический анализ территории, агроэкологическую оценку почв, агроэкологическую типизацию и классификацию земель, агро-геоинформационные системы по агроэкологической оценке земель. Адаптивно-ландшафтные системы земледелия реализуются пакетами агротехнологий для различных агроэкологических типов земель при разных уровнях производственно-ресурсного потенциала (экстенсивные, нормальные, интенсивные, высокие). Возврат к классической идее русских ученых-аграриев, подкрепленный современными достижениями науки и практики, позволит современному земледелию выйти на качественно новый уровень развития, результатом которой является получение экологически чистой, конкурентоспособной продукции, что диктуется концепцией государственной политики в области продовольственного самообеспечения, и здорового питания населения. 1.4. 0боснование уровня планируемого урожая Интенсивная технология возделывания сельскохозяйственных культур базируется на полном удовлетворении потребности растений в жизненно важных факторах внешней среды: свете, тепле, воде, воздухе, минеральном питании. Свет (солнечная радиация) и тепло – факторы космические, они не поддаются регулированию. Вода, минеральное питание, кислород, углекислый газ (земные факторы) и агротехнические условия (плодородие почвы качество ее обработки, качество семян, норма высева, срок посева и др.) определяются производственной деятельностью человека. При интенсивной технологии урожай программируют. Технология программированного выращивания урожая предусматривает не только оптимизацию основных условий жизнедеятельности растений в период их вегетации, но и активное управление процессами формирования урожая. 2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ УРОЖАЯ Проблема увеличения производства зерна и других сельскохозяйственных продуктов решается главным образом за счет дальнейшего значительного повышения продуктивности пашни. Этому способствует новое направление в агрономической науке – программирование урожаев. В основе его лежит требование удовлетворения потребностей растений в жизненно важных ресурсах для формирования заданного урожая. Программирование урожаев опирается на достижения большого числа смежных наук – физиологии растений, почвоведения, агрофизики, агрохимии, метеорологии, растениеводства, а также математики, кибернетики и экономики. Основная цель программирования состоит в том, чтобы перейти к широкому использованию в агрономии количественных моделей и электронно-вычислительной техники. Применение ЭВМ позволит быстро обрабатывать большую информацию о факторах, влияющих на рост растений, и рекомендовать оптимальный варианта агротехнических мероприятий, направленных на получение запрограммированных урожаев. Для программирования урожаев требуются предварительная обработка всей накопленной смежными науками информации, разработка стройной системы мер по получению заданного, максимально возможного в конкретных почвенно-климатических условиях урожая, а при достаточной влагообеспеченности – полное использование генетического потенциала возделываемых сортов. Программирование – составная часть быстро развивающейся науки об управлении. Зародившись в нашей стране в конце 30-х годов, метод программирования стал достоянием научной мысли, а затем был внедрен и в практику. Суть его заключается в том, чтобы разработать оптимальную программу и систему ее реализации. Программирование находит самое разнообразное применение: в решении транспортных задач, в анализе деятельности учреждений, хозяйств, предприятий, в планировании производства и т.д. Задачи программирования сравнительно легко решаются в промышленности, связи, на транспорте, где результаты производства не находятся в тесной зависимости от природных условий. Урожай программировать неизмеримо сложнее, так как нужно предвидеть изменения в природе, находить выход из тех неожиданных для земледельцев трудностей, которые связаны с погодой. Однако, несмотря на сложность этой задачи, она вполне по силам современной науке и практике. Первые опыты по программированию урожаев были проведены известным селекционером-картофелеводом А.Г. Лорхом. Еще в довоенные годы он разработал систему выращивания картофеля, дающую 500 ц с 1 га в условиях Московской области. Фактически тогда получили урожайность 528 ц с 1 га. Суть программы А.Г. Лорха состояла в следующем. На основании длительных наблюдений ученый составил график нарастания биологической массы картофеля, затем в соответствии с этим он регулировал питание, водоснабжение и углекислотный обмен растений. Программа возделывания полностью соответствовала биологическим особенностям роста и развития картофеля. Позднее А.Г. Лорх разработал программу получения урожая 700 ц клубней картофеля и более с 1 га. В те же годы опыты с озимой пшеницей проводил М.С. Савицкий. На опытном поле Всесоюзной сельскохозяйственной выставки он собрал по 99,8 ц зерна с 1 га. М.С. Савицкий заранее составил структурную формулу урожая, которая включала густоту стояния растений, число продуктивных стеблей, колосьев, зерен в колосе, массу 1000 зерен. Затем он рассчитал дозу удобрений на заданный урожай. Было учтено и орошение. Фактический урожай оказался близким к расчетному. Прежде агрономы-опытники годами довольствовались тем урожаем, который вырастет в данных природных условиях, лишь бы были некоторые различия между контролем и изучаемым вариантом. Метод программирования ставит перед агрономической наукой качественно новую задачу – заранее определить конечные результаты опыта и соответственно формировать его условия. С развитием биологии, кибернетики, агрометеорологии, агрономии и мелиорации были созданы предпосылки для разработки систем оптимального управления ростом и развитием растений на основе современной техники сбора и обработки информации, математических моделей растений и внешней среды. Как важнейшая проблема времени программирование урожаев аккумулирует в себе результаты достижений многих наук и дает объективно необходимую основу для координации и объединения усилий коллективов исследователей в области биологических и сельскохозяйственных наук в настоящем и будущем. Программирование урожаев отражает закономерный процесс логического развития учения об урожае как сложной функции многих процессов и факторов, определяющих его количественные и качественные характеристики. Этот метод позволяет заранее рассчитать технологический процесс получения заданного урожая (норму высева, густоту стояния растений, площадь листьев, фотосинтетический потенциал, дозы удобрений, режим орошения и др.) с учетом климатических условий, генетического потенциала сортов и естественного плодородия почвы. Программирование урожая направлено на упорядочение организации агрофитоценоза как системы для достижения максимальной его продуктивности и включает: – заблаговременное вычисление формирования урожая по заранее составленной программе с учетом физико-географических, почвенно-климатических, экономических условий зоны и биологических особенностей растений; – оптимизацию, то есть достижение максимального урожая высокого качества с низкой себестоимостью при минимальных затратах труда, времени, материально-технических и других ресурсов; – применение метода математического планирования многофакторных полевых экспериментов для получения объективной информации и установления закономерностей взаимодействия основных факторов формирования урожая; – математическое моделирование и разработку машинных программ для ЭВМ; – применение ЭВМ; – разработку программирования агрокомплексов и составление сетевых графиков (технологических карт) возделывания сельскохозяйственных культур в севообороте; – практическое применение разработанной программы в производственных условиях и уточнение исходных функциональных моделей программирования урожая. Многолетние экспериментальные исследования и обобщение результатов работ по фотосинтезу, использованию посевами фотосинтетически активной радиации (ФАР), водному режиму продуктивности культурных растений позволили академику ВАСХНИЛ И.С. Шатилову обосновать экологические, биологические и агротехнические условия программирования урожаев. Им предложено десять принципов программирования. Первые пять принципов предназначены для определения величины возможного урожая на основе следующих факторов: 1) прихода ФАР и использования ее посевами; 2) биоклиматических показателей; 3) влагообеспеченности посевов; 4) фотосинтетического потенциала посевов; 5) потенциальных способностей культуры, агрофитоценоза и набора культур в пожнивных и поукосных посевах. Остальные принципы составляют технологическую схему программированного возделывания культур: 6) разработка системы удобрения с учетом эффективного плодородия почвы и потребности растений в питательных элементах, обеспечивающих получение запрограммированного урожая высокого качества; 7) разработка комплекса агротехнических мероприятий для каждой культуры, направленных на получение запрограммированных урожаев; 8) всесторонний учет и правильное применение основных законов и закономерностей земледелия и растениеводства; 9) разработка конкретных мер по борьбе с болезнями и вредителями растений; 10) использование ЭВМ для определения оптимального варианта агротехнических комплексов, обеспечивающих получение высокого урожая. Академик ВАСХНИЛ И.С. Шатилов дал следующее определение этому направлению в агрономической науке: «Программирование урожаев – это разработка комплекса взаимосвязанных мероприятий, своевременное и качественное выполнение которых обеспечивает получение предельно возможной урожайности сельскохозяйственных культур заданного качества. При этом формирование урожаев предопределяется программой, составленной заранее с учетом почвенно-климатических условий района и биологических особенностей растений». Цель и задачи, стоящие перед программированием, позволяют дать такое определение. Программирование урожаев – это определение продуктивности земли по почвенно-климатическим ресурсам и разработка интенсивных технологий возделывания, обеспечивавших наиболее полное использование генетического потенциала сортов и гибридов сельскохозяйственных культур. Получение высоких, заранее рассчитанных урожаев – новый шаг в агрономической науке. Всесторонний учет всех факторов, определяющих уровень урожайности, позволяет подойти с научных позиций к получению высоких урожаев с одновременным ростом плодородия почв. Повышение культуры земледелия, выведение качественно новых сортов, разработка интенсивных технологий возделывания полевых культур и другие достижения в области агрономической науки, а также накопление исходных данных о взаимосвязи с различными факторами роста и развития растений позволили сформулировать новые принципы программирования урожаев: физиологические, биологические, агрометеорологические, агрофизические, агрохимические и агротехнические. Такое разделение несколько условно, но эти принципы широко применяются в решении задачи практического программирования урожаев специалистами различных отраслей агрономической науки и смежных с ней наук. 2.1. Физиологические принципы программирования урожаев Физиологические принципы программирования урожаев предусматривают формирование посевов с оптимальным и показателями площади листьев, фотосинтетического потенциала (ФП) чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ), и продуктивности работы ассимилирующей поверхности, обеспечивающих получение заданного урожая. Каждому уровню урожая должны быть присущи «свои» фитометрические показатели, которые заблаговременно закладывают в программу. На их основе составляют графики формирования площади листьев и фотосинтетического потенциала, в течение периода вегетации контролируют их нарастание и принимают оптимальные решения для регулирования (полного или частичного) факторами, непосредственно влияющими на рост и развитие ассимилирующих органов и динамику накопления ФП. Фотосинтетический потенциал – обобщающий показатель, определяющий норму высева, сроки сева, систему удобрения, водный режим и уход за посевами. В каждом конкретном случае 1000 единиц фотосинтетического потенциала – 1000 (м2/ га) дней – обеспечивают соответствующее количество продукции (зерна, сухой биомассы, зеленой массы, сена, клубней картофеля и др.). Например, в зоне кукурузосеяния каждая тысяча единиц фотосинтетического потенциала обеспечивает сбор 3-3,5 кг зерна. Для получения 100 ц зерна кукурузы с 1 га в условиях орошения необходим фотосинтетический потенциал, равный 3-3,5 (млн.м2/га) дней. Поэтому любой агротехнический прием, направленный на повышение урожайности, будет эффективен в том случае, если он: – обеспечивает быстрое развитие и достижение оптимальной площади листьев; – повышает продуктивность фотосинтеза; – сохраняет листья в активном состоянии возможно более длительный период времени; – способствует наилучшему использованию продуктов фотосинтеза для усиленного роста питающих и проводящих органов и накопления в них возможно большего количества органических веществ высокого качества, составляющих основной урожай растений. В случае оптимального почвенного питания листья КУКУРУЗЫ и сахарной свеклы способны усваивать в 1,5-2 раза больше солнечной радиации, чем при средних условиях. При этом прирост биомассы на удобренных почвах оказывается в 2-3 раза выше, чем на почвах среднего плодородия. Коэффициент использования ФАР с увеличением площади листьев, например, втрое также увеличивается в 2,5-3 раза. Оптимальной принято считать такую площадь листьев, которая обеспечивает максимальный газообмен в посевах. Оказывается, в результате компенсации длины дня при средней величине ФАР оптимальная площадь листьев мало отличается на разных широтах. Следовательно, можно сделать вывод, что программирование – это разработка системы агротехнических мероприятий, направленных на максимальное использование солнечной энергии в процессе фотосинтеза. В первую очередь это достигается за счет формирования посевов с оптимальной площадью листьев. 2.2. Биологические принципы программирования урожаев Биологические принципы программирования урожаев связаны с оптимизацией водного, воздушного, теплового и пищевого режимов почв; с созданием автоматизированных систем регулируемого земледелия; с управлением факторами среды обитания растений и реализацией потенциальной продуктивности современных сортов сельскохозяйственных культур. «Искусственное» растениеводство (камеры искусственного климата, теплицы и др.) уже в настоящее время носит характер контролируемого, управляемого и регулируемого объекта. Оно должно быть полностью охвачено методом программирования. В естественных условиях на обширных посевных площадях при программировании урожаев, как правило, регулируют отдельные факторы или группу факторов, которые обеспечивают наибольшую реализацию потенциальной продуктивности сортов. Это – тепловые мелиорации для северных областей, двустороннее регулирование водного режима в зоне достаточного увлажнения, известкование и гипсование почв, гребневые посадки картофеля, импульсное орошение для формирования оптимального фитоклимата и др. 2.3. Агрохимические принципы программирования урожаев Агрохимические принципы программирования урожаев предусматривают обоснование экономически оправданных доз удобрений для посевов заданной продуктивности с учетом агрохимических показателей почв, выноса питательных веществ урожаями, коэффициентов использования элементов питания из почвы и удобрений, получения продукции высокого качества при одновременном повышении плодородия почв, а также применение листовой диагностики для контроля за питанием растений в агрофитоценозах. В настоящее время накоплен обширный материал по выносу элементов минерального питания единицей сельскохозяйственной продукции, проводятся почвенно-агрохимические обследования почв. Эти данные должны быть использованы для расчета оптимальных доз удобрений под заданные урожаи культур с учетом агрохимических показателей почв (каждого поля, участка) севооборота. На первом этапе эффективность программирования доз удобрений следует считать удовлетворительной, если на 1 кг NРК хозяйства будут получать 8-10 кг зерна или другой эквивалентной продукции. На втором этапе эти показатели должны составить 12-14 кг зерна, на третьем – 16-18 кг, что будет отвечать соответственно хорошему и высокому уровням эффективности средств химизации. Для повышения окупаемости единицы удобрений следует выбирать такие технологии внесения, которые обеспечивают использование в них не менее 85-90% азота 40-45% фосфора и 90-95% калия. Это локально-ленточное, прикорневое и другие способы внесения. 2.4. Агрофизические принципы программирования урожаев Агрофизические принципы программирования урожаев предусматривают оптимизацию физических и физико-химических свойств почв (объемная масса, удельное сопротивление, пористость, плотность, влагоемкость, водопроницаемость, теплоемкость и др.). Пористость в значительной степени зависит от плотности почвы. Чем почва рыхлее, тем больше ее пористость и воздухоемкость. Чтобы иметь достаточное количество кислорода в почве, необходимо сохранять ее в рыхлом состоянии. Оно соответствует объемной массе не более 1-1,2 г/см3 для суглинистых почв и не более 1,2-1,4 г/см3 для супесчаных и песчаных почв. Как показали исследования, проведенные в НИИ картофельного хозяйства, всходы картофеля на уплотненных суглинистых почвах с объемной массой 1,35-1,5 г/см3 появляются на 5-6 дней позднее, чем на почвах, где этот показатель равен 1,1-1,2 г/см3. Уплотнение почвы до 1,57-1,6 г/см3 приводит к полному загниванию высаженных клубней, они не дают всходов. При объемной массе до 1,1 г/см3 даже на тяжелосуглинистых почвах картофель формирует относительно высокий урожай. Однако доведение до показателя 1,4-1,5 г/см3 резко снижает продуктивность этой культуры из-за медленного роста и развития растений, незначительной площади листьев; большинство клубней имеет уродливую форму, при хранении они быстро загнивают. Установлено, что при объемной массе почвы до 1,1 г/см3 корневая система картофеля хорошо развивается, пронизывая весь пахотный слой, при 1,35-1,5 г/см3 плохо ветвится и располагается лишь в слое почвы 10-15 см. Оптимальным условиям для роста и развития картофеля в Амурской области отвечают пойменные почвы с объемной массой 1-1,2 г/см3. Слабогумусированные почвы, как правило, мало аккумулируют солнечную энергию и обладают незначительной теплоемкостью. Теплопроводность таких почв повышенная. Вследствие этого в зимний период здесь бывает гибель озимых зерновых культур и многолетних трав. На перезимовку озимых культур и многолетних трав значительное влияние оказывает влагоемкость почвы. Изреженность посевов озимой пшеницы при оптимальной влажности составляет 4,5%, при недостаточной 26,3, а при избыточной – 47,6%. Поэтому успешное программирование урожаев сельскохозяйственных культур можно вести только при условии создания оптимальных параметров агрофизических свойств почв. 2.5.Агрометеорологические принципы программирования урожаев Агрометеорологические принципы программирования урожаев – это правильное использование климатических показателей для обоснования продуктивности посевов, прогнозирования условий вегетационного периода, полегания растений, появления вредителей и болезней и др. Основные неблагоприятные факторы, которые приводят к гибели пли частичному повреждению посевов озимых и зимующих культур, – вымерзание, выпревание, вымокание, выдувание, зимняя засуха и ледяная корка на почве. Эти показатели могут быть использованы для программирования условий перезимовки озимых и зимующих культур. Д.И. Шашко для программирования урожаев сельскохозяйственных культур предложил использовать сумму температур выше 10°С. При этом оценку биологической продуктивности проводят по показателю так называемого биоклиматического потенциала (БКП), полученному П.И. Колосковым:  где Кр – коэффициент биологической продуктивности, представляющий собой отношение максимальной продуктивности в условиях достаточного увлажнения к продуктивности при недостатке влаги (пределы его колебаний – от 1 для влажной лесной зоны до 0,2 для сухих степных районов); t >10С – сумма температур воздуха выше 10°С, накапливаемая за период вегетации культуры; 1000°С – сумма среднесуточных температур выше 10°С на северной границе земледелия. Например, за весенне-летний период вегетации пшеницы (третья декада апреля – первая декада августа) накапливается около 1400°С (табл. 10), что при Кр = 1 (в год с достаточной влагообеспеченностью) составляет  Урожай основной продукции определяют по формуле  где = 20ц зерна с 1 га при использовании 1,1% ФАР; 30 ц – 1,7%, 40 ц – при 2,2% ФАР. Отсюда возможный урожай пшеницы Ут, ц с 1 га, составит: Ут = 201,4 =28 при КПД ФАР = 1,1%; Ут = 301,4 = 42 при КПД ФАР = 1,7%; Ут = 401,4 = 56 при КПД ФАР = 2,2%; Уровень урожая и КПД ФАР зависят от окультуренности почв, урожайности сорта, влагообеспеченности посевов, доз удобрений и других агротехнических мероприятий. Их оптимизация составляет задачу программирования урожая. Хозяйства ежедекадно получают Агрометеорологический бюллетень, где приведены климатологические данные. Их необходимо использовать для решения тех или иных задач программирования урожаев сельскохозяйственных культур и внесения корректив к технологиям возделывания. Средний многолетний агрометеорологические данные по Амурской области приведены в разделе 4.2 Климат. 2.6. Агротехнические принципы программирования урожаев Агротехнические принципы программирования урожаев заключаются в разработке и внедрении оптимальных технологий (сетевых графиков) возделывания культуры, обеспечивающих своевременное и высококачественное проведение всего агротехнического комплекса работ с учетом биологических особенностей сорта. Важные факторы при этом: нормы высева, густота стояния растений, сроки и способы посева, режимы орошения или осушения, то есть факторы, придающие агрофитоценозу характер регулируемого и управляемого объекта. Задача программирования состоит в том, чтобы с учетом складывающихся погодных условий или материально-технических ресурсов хозяйства сформировать такие посевы, которые бы при минимальных затратах труда и средств обеспечивали наивысшую продуктивность. В технологии возделывания культуры необходимо предусматривать нормы высева и густоту стояния растений, обеспечивающие формирование посевов с оптимальными показателями площади листьев, фотосинтетического потенциала, чистой продуктивности фотосинтеза и продуктивности работы ассимилирующей поверхности. Каждому посеву должны соответствовать «свои» фитометрические показатели и графики роста и развития. Густой и мощный растительный покров поглощает 60-90%падающей коротковолновой радиации, 10-30% ее отражается, и лишь 5-10% проходит сквозь растительный покров и поглощается почвой. Из всей поглощенной растительным покровом солнечной радиации на долю листьев приходится 80-90%, остальная часть поглощается стеблями, цветками и другими надземными органами. Определение экологических основ и возможностей повышения продуктивности посевов путем увеличения использования солнечной радиации в процессе фотосинтеза – одна из важнейших проблем современного растениеводства. Эта проблема будет решена при широком внедрении интенсивных технологий возделывания культур, в полной мере учитывающих биологические особенности районированных сортов, а также основные законы и закономерности земледелия и растениеводства. 2.7. Программирования урожаев, его отличие от прогнозирования и планирования |