Методы повышения энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах краснояской лесостепи
На правах рукописи
Ивченко Владимир Кузьмич
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОПРОДУКТИВНОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ КРАСНОЯСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ
03.00.16 - экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора сельскохозяйственных наук
Красноярск - 2007
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Научный консультант доктор технических наук, профессор
Цугленок Николай Васильевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
старший научный сотрудник
Данилин Игорь Михайлович
доктор биологических наук, профессор
Рассыпнов Виталий Александрович
доктор сельскохозяйственных наук,
старший научный сотрудник
Романов Василий Николаевич
Ведущая организация – ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный
университет»
Защита состоится «_______»__________________» в «____» часов на заседании диссертационного совета Д.220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу. 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90
Телефакс 8 (3912) 27-86-52
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного аграрного университета
Автореферат разослан «_______» _____________________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.Е. Полонская
Актуальность проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства направлена на получение более высоких урожаев культурных растений. Однако при неизбежном росте энергетических вложений в производство не всегда происходит адекватное и соответствующее увеличение прибавки урожая.
Для эффективного использования имеющихся производственных и природных ресурсов необходимы новые методологические подходы к поиску наиболее рациональных с энергетической точки зрения технологий. На основе учета продукционных и энергетических потоков имеется возможность установить взаимосвязи между стоимостными, энергетическими, материальными, временными показателями, что в конечном итоге поможет в решении сложнейших экологических и энергетических проблем сельскохозяйственного производства (Жученко, 1990, Кирюшин, 2002, Цугленок, 2004).
Уровень урожайности полевых культур зависит от многочисленных факторов жизни растений. Определение функциональных взаимосвязей между этими факторами дает возможность применять полученные знания для эффективного их использования в сельском хозяйстве и прогнозирования уровня производства продукции растениеводства. Для этого требуется систематизация экспериментальной информации при разработке математических моделей динамики продукционного процесса.
На основе рационального использования энергоэкологических факторов можно существенно повысить биоэнергетическую эффективность технологий возделывания растений. Это позволит формировать зональную энергетически и экономически рациональную структуру посевных площадей и севооборотов на основе использования культур с максимальным биоэнергетическим выходом продукции. К тому же, структура посевных площадей во многом определяет уровень энергетической затратности мероприятий на воспроизводство почвенного плодородия.
Использование системно – энергетической методологии и взаимосвязей продукционных и энергетических потоков позволяет подойти к анализу энергетического состояния агроэкосистемы яровой пшеницы для получения энергоэкономического эффекта и сохранения экологической стабильности.
В связи с этим актуальным является разработка методологических принципов проведения исследований в области построения теоретических моделей формирования продуктивности яровой пшеницы и выбора условий размещения этой культуры в звеньях полевых севооборотов на пашне на основе системного анализа взаимосвязи агроэкологических факторов.
Цель – разработать методы повышения энергопродуктивности яровой пшеницы, сохранения плодородия черноземов Красноярской лесостепи и экологической устойчивости агроэкосистем.
Основные задачи:
·провести системный анализ агроэкологических условий формирования урожайности яровой пшеницы;
·разработать модель формирования энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах;
·установить причинные и функциональные взаимосвязи при взаимодействии энергетических и продукционных потоков в агроэкосистемах;
·разработать методику прогнозирования динамики энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах, обосновать параметры размещения звеньев полевых севооборотов для сохранения и повышения почвенного плодородия;
·дать энергоэкономическую оценку эффективности взаимодействия энергетических и продукционных потоков в агроэкосистемах при различном размещении звеньев полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи.
Научная новизна. Впервые разработаны модели урожайности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи. Обоснованы модели определения энергопродуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов и имеющиеся функциональные взаимосвязи между агроэкологическими факторами. Дана количественная оценка энергопродуктивности яровой пшеницы в зависимости от зональных энергоэкологических факторов.
Разработан новый методический подход к размещению звеньев полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи, обеспечивающий производство необходимого количества энергии без ущерба для окружающей среды.
Защищаемые положения.
1. Модели и методика расчета энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах Красноярской лесостепи и взаимодействие агроэкологических факторов.
2. Методика исследований энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах Красноярской лесостепи.
3. Результаты исследований по сохранению устойчивого энергетического баланса агроэкосистем.
4. Энергосберегающая модель размещения звеньев полевых севооборотов на черноземах обеспечивает получения максимального энергоэкономического дохода, воспроизводство почвенного плодородия и формирование устойчивой агроэкосистемы.
5. Экономическая и энергетическая эффективность размещения звеньев полевых севооборотов на черноземах.
Практическая значимость работы. Модель формирования энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах позволяет практически с учетом суммарной солнечной радиации, количества атмосферных осадков, суммы положительных температур за период с мая по август, запасов доступной влаги в метровом слое почвы в период посева, кущения и содержания нитратного азота в почве в период посева оценить энергетическое состояние агроэкологической среды.
Практические рекомендации с использованием энергосберегающей модели размещения звеньев полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи позволяют обеспечить получение необходимого количества энергии среды в условиях Красноярской лесостепи и имеют существенное значение для сохранения плодородия черноземов.
Программное обеспечение расчета урожайности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов на черноземах в условиях Красноярской лесостепи защищено авторским свидетельством (№ 2006612759 от 04.08.2006).
Апробация. По теме исследований опубликовано 53 работы, в том числе 1 монография (в соавторстве), 1 учебное пособие (в соавторстве), 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 авторских свидетельства РФ. Материалы диссертации были представлены на конференции молодых ученых «Агрохимия, земледелие и защита растений» (Новосибирск, 1987 г.), Всероссийской конференции «Роль минерально-сырьевой базы Сибири в устойчивом функционировании плодородия почв» (Красноярск, 2001 г), Всероссийской научно – практической конференция «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2006 г.), Международной научно – практической конференции, посвященной памяти профессора М.К Каюмова (Брянск, 2006 г.), региональной научно – практической конференции, посвященной 50 – летию кафедры общего земледелия Бурятской ГСХА «Состояние и перспективы современных систем земледелия Сибири» (Улан – Удэ, 2007 г.), Международной научно – практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2007 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, практических рекомендаций, изложена на 315 страницах, содержит 75 таблиц, 115 рисунков. Список литературы включает 356 наименований, в том числе 23 на иностранном языке.
Личный вклад автора. Выбор направления научного поиска, сбор, обобщение и обработка исходной информации, выполнение комплекса исследований по моделированию, а также интерпретация и обоснование полученных результатов.
Благодарность. Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Н.В. Цугленку, всему коллективу кафедры общего земледелия КрасГАУ за помощь и поддержку, оказанную при подготовке и написании диссертации.
Глава 1
Агроэкология яровой пшеницы
Проведено теоретическое обобщение имеющихся в научной литературе сведений о программировании урожайности при возделывании культур с позиций системного анализа, отражены принципы моделирования процессов формирования урожая.
Представлена агроэкологическая характеристика природных условий Красноярской лесостепи.
Дано энерготехнологическое обоснование влияния агротехнических приемов (предшественники, система основной обработки почвы, удобрения) на повышение продуктивности яровой пшеницы.
Глава 2
Объекты, условия и методика проведения исследований
Автор использовал результаты полевых опытов по изучению эффективности различных звеньев полевых севооборотов и их влияние на плодородие черноземов, которые проводились сотрудниками кафедры общего земледелия под руководством профессора Н.В. Скляднева в учебно-опытном хозяйстве «Миндерлинское» КрасГАУ Сухобузимского района.
Исследования выполнялись в звеньях севооборотов, развернутых во времени и по полям. Каждое звено включало предшественник и размещаемые после него первые и повторные посевы яровой пшеницы. Были выбраны следующие звенья:
1. Чистый пар – яровая пшеница – яровая пшеница; 2. Люцерна 1 г.п. - люцерна 2 г.п. – яровая пшеница – яровая пшеница + люцерна; 3. Кукуруза – яровая пшеница – яровая пшеница; 4. Горох+овес – яровая пшеница – яровая пшеница; 5. Горох – яровая пшеница – яровая пшеница.
Площадь опытных делянок составляла 350 – 470 м2, учетных – 100 - 200 м2. Повторность – трех - четырехкратная.
Культуры возделывались по общепринятым технологиям.
Исследуемые годы характеризовались неодинаковыми условиями роста и развития растений. За анализируемый период количество атмосферных осадков, выпавших в среднем за год, колебалось от 197,0 и до 495,0 мм при среднемноголетнем значении 345,2 мм, а сумма положительных температур (май - август) изменялась от 1583,9 0С до 2409,0 0С.
Засушливые условия (ГТК менее 1,0) за вегетационный период сложились в течение шести лет (40,0%). Хорошее и избыточное увлажнение - в течение четырех лет (26,7%). Остальные годы были удовлетворительными с точки зрения тепловлагообеспеченности зерновых культур. Нестабильное выпадение атмосферных осадков по годам негативно сказывалось на урожайности полевых культур.
Исследования проводились на черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом. Содержанием гумуса в верхнем горизонте составляет 8,4 - 11,5%, реакция среды почвенного раствора - слабокислая (рНkcl от 6,1 до 6,5), емкость катионного обмена высокая (54,8 – 62,8 ммоль/100 г. почвы).
Все морфометрические наблюдения и определение агрохимических показателей в полевых опытах проводились по общепринятым методикам (Доспехов, 1965,-Аринушкина,1970, Агрохимические методы ….., 1975).
Исходным базисом разработки математической модели формирования продуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов является информационный массив полученных в полевых опытах данных.
В основу разработки математической модели формирования энергопродуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов положена общая методика исследований (рис. 1).
Рисунок 1 - Общая схема исследований энергоэкономической продуктивности пшеницы
Практическая реализация методических подходов основывается на комплексе программ, реализующих частные, двойственные и общие модели определения продуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов. Использовалась система компьютерной математики Maple.
В основу разработанной методики моделирования положено двойственное действие агроэкологических факторов, позволяющее исследовать условия формирования урожая яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов. Такой подход в наибольшей мере соответствует выявленной нелинейной зависимости продуктивности сельскохозяйственных культур от множественного числа агроэкологических факторов.
С помощью программы Датафит посредством линейных уравнений подверглась разложению целевая функция урожайности (Y) яровой пшеницы, размещенной первым и повторным посевами после разных предшественников на такие составляющие, как суммарная солнечная радиация (ккал/см 2 в сек.) за период с мая по август (
); количество атмосферных осадков в мм (
), сумма положительных температур (0С) за этот же отрезок времени (
); запасы доступной влаги (мм) в метровом слое почвы в период посева (
), кущения (
) и содержание нитратного азота (
) в почве (мг/кг) в период посева в слое 0-40 см.
Ретроспективная проверка действенности расчетной модели проводилась посредством пассивного эксперимента. Сравнение расчетных результатов работы модели с реальными данными, полученными в полевых опытах и соответствующим конкретным почвенным, климатическим и агротехническим условиям показывает, что абсолютная 
и относительная 
погрешности были незначительны.
В результате выполненных исследований установлено, что ядром двойственных моделей является функция 
, которая отражает структурную характеристику звена с двумя предшественниками, имеющими, соответственно, энергосодержание 
и 
.
Общая модель представляется регрессионной функцией восьми переменных 
, в которых порядок чередования культур установлен схемой ротации их в звеньях (рис. 2).
Рисунок 2 – Звено: чистый пар – пшеница – пшеница»
Известно (Каюмов, 1986), что функция урожайности культур выражается следующей зависимостью:
, 
, (1)
где 
– урожайность абсолютно сухой массы, т/га; 
– сумма ФАР за период вегетации; ккал/га; 
– коэффициент использования ФАР посевами; 
– энергосодержание единицы урожая сухого вещества, ккал/кг; 100 и 103 – коэффициенты перевода.
При этом часть энергии урожая отчуждается из агроэкосистемы, а часть ее возвращается с пожнивными и корневыми остатками:
, (2)
где 
– количество отчуждаемого урожая, т/га; 
– количество корневых и пожнивных остатков, т/га.
На основе построенных частных моделей зависимости урожайности яровой пшеницы, высеваемой по разным предшественникам, от наличия экологических и почвенных факторов можно получить аналогичную формулу разложения:
+
+
+
+
+
=
(3)
Тогда U= ( 
+
+ 
+ 
+ 
+ 
) =
(4)
Принимаем, 
, 
, 
, 
, 
,
, где 
, 
, …, 
– коэффициенты согласования размерностей агроэкологических факторов, необходимые для их перевода в энергетические единицы. Тогда формула в краткой записи приобретает вид:
, (5)
а отсюда, с учетом обозначения 
, имеем
. (6)
Следовательно, при 
получаем
. (7)
Сравнив формулы урожайности (1) и (7) заключаем, что 
. Таким образом полученная общая формула урожайности (7) является обобщением классической формулы (Каюмов, 1986).
Математическая модель размещения звеньев полевых севооборотов, обеспечивающая воспроизводство органического вещества почвы и его функциональную способность как источника энергии для повышения урожаев культур и сохранения почвенного плодородия и прикладная программа к ней разработаны на языке Maple для персонального компьютера. В соответствии с агрохимической картограммой содержания гумуса в почвах первого отделения учхоза «Миндерлинское» КрасГАУ площадь черноземов на пашне с повышенным содержанием гумуса (6,1-8,0%) составляет 1065,4 га, с высоким (8,1-10,0%) – 761,3 га и с очень высоким (>10,0%) – 343,6 га.
Целевая функция – энергетическая оценка звеньев полевых севооборотов, МДж:
, 
Установлено, что энергоемкость агроэкосистемы при различном размещении звеньев полевых севооборотов варьирует в пределах от базисного уровня 
1011 МДж до оптимального - 
1011 МДж. Интервал варьирования энергии составляет = 
МДж.
Преобразуя энергетический эффект 
(МДж) в почвенно-энергетический эквивалент, представленный действующим веществом минеральных азотных удобрений (кг) с энергоемкостью 
(МДж/кг) и средней ценой 
(руб./кг) получили его экономический эквивалент 
(руб.) в денежном выражении на один гектар пашни:
руб./га
Показано, что за счет правильной организации размещения звеньев полевых севооборотов на заданной площади пашни можно получить экономический эффект размером 
руб./га.
Глава 3
Энергопродуктивность яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов
Решение задачи прогнозирования энергопродуктивности зерновых культур в растениеводстве кроется в новом системно-энергетическом методе (Цугленок, 2000), позволяющем планировать экономические затраты при адаптации новых энергосберегающих агротехнологий. Такой подход дает возможность выявить взаимодействие между различными видами и потоками энергии в агроэкологических системах и их периодичность.
Известно, что энергия преобразуется в продуктивность культур в соответствии с периодом ротации звена севооборота 
и колебанием энергии 
, обусловленным биологией конкретных растений в звене при 
. Следовательно, на выходе из агроэкосистемы энергетический поток представлен сопряженными видами колебаний, определяющими энергопродуктивность культур как квазипериодическую функцию:
, (8)
, (9)
где 
– энергосодержание яровой пшеницы, МДж/т; 
– коэффициент перевода в сухое вещество; 
– урожайность яровой пшеницы, т/га; 
– энергопродуктивность яровой пшеницы, МДж/га; 
и 
– периоды действия факторов цикличности агроэкосистемы и ротации звеньев севооборотов, год; 
– периоды колебаний энергии, обусловленные биологией конкретных растений в звене, год.
Значения 
являются индивидуальными для каждого конкретного звена и зависят от биологического ритма растений. С целью реализации формулы (9) на ЭВМ составлена прикладная программа на языке Maple и проведены численные эксперименты по определению значений параметров 
, 
, 
, 
и 
, 
по урожайности яровой пшеницы в звене.
Таблица 1 - Экологическая цикличность колебаний энергии пшеницы в звеньях полевых севооборотов, год
| Звено | Модель состояния звена |  |  |
| Чистый пар–пшеница–пшеница | 1 | 0,6042 | 0,8789 |
| Люцерна 2 г.п. –пшеница–пшеница | 2 | 0,6070 | 0,8788 |
| Кукуруза–пшеница–пшеница | 3 | 0,6085 | 0,8789 |
Таким образом, найдены периоды колебаний энергии, обусловленные биологией конкретных растений в первом звене.
Применяя методику вычислительного эксперимента для динамических рядов урожайности яровой пшеницы во втором и третьем звеньях, аналогично находим отнесенные к ним периоды колебаний энергии, обусловленные биологией конкретных растений. Расхождение значений периодов колебаний энергии (
и 
) для различных моделей динамики урожайности в звеньях полевых севооборотов объясняются инертностью агроэкосистемы по отношению к солнечной активности.
а б в
Рисунок 3 - Соотношение периодов колебаний энергии агроэкосистем
а) звено: чистый пар – пшеница – пшеница»; б) звено: люцерна 2 г.п.- пшеница– пшеница»; в) звено: кукуруза– пшеница– пшеница»
Используя оценки урожайности 
, 
, 
яровой пшеницы и ее энергосодержание 
МДж/т строим графики энергопродуктивности этой культуры в отдельных звеньях и средней энергопродуктивности по трем моделям состояний звеньев (рис. 4):
Аналогично, используя оценки урожайности 
, 
, 
яровой пшеницы и цену реализации построен график динамики ее средней экономической продуктивности:
Результаты расчетов показывают (рис. 4), что средние данные урожайности, энергетической и экономической продуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов имеют устойчивую квазипериодическую динамику, менее зависящую от периодов колебаний энергии конкретных растений в звене и более пригодную для решения задачи планирования производства зерна яровой пшеницы.
Рисунок 4 - Квазипериодическая динамика средней энергопродуктивности пшеницы
Для разработки методики определения состояния агроэкологической среды с точки зрения ее плодородия использовали линии уровня функций состояния звеньев 
, зависящие от энергосодержаний 
и 
двух предшественников при фиксированных значениях агроэкологических показателей на минимальном, среднем и максимальном уровнях
где 
– функция состояния звена; 
– функция урожайности яровой пшеницы, т/га; 
, 
, 
– энергосодержание культур в звене полевого севооборота, МДж/т. Графическая визуализация используемых моделей состояний 
звеньев выполнена в системе компьютерной математики Maple.
Уровень продуктивности агроэкосистемы, выраженный в энергетической форме, является интегрированным понятием по отношению к почвенному плодородию и проявлениям природно-экологических факторов. Двойственным понятием к уровню продуктивности агроэкосистемы является урожайность сельскохозяйственных культур. Аналитическую оценку уровня продуктивности агроэкосистемы (по какой-либо модели) логично назвать агроэкологическим бонитетом, а двойственную оценку, соответственно, – кобонитетом.
Однако непосредственная оценка плодородия через бонитет затруднена неформализованностью показателей агроэкологической системы. Выражение агроэкологического кобонитета, отражающего уровень продуктивности агроэкосистемы через энергопродуктивность яровой пшеницы, конкретизирует его понятие до коэффициента кобонитета.
На основе предложенной модели кобонитета разработана методика и рассчитаны коэффициенты кобонитета на примере первого звена.
Таблица 2 - Значения коэффициентов кобонитета звеньев полевых севооборотов с учетом трех уровней агроэкологических факторов
| Звено | Состояние 1 | Состояние 2 | Коэффициенты кобонитета | ||||||
| мин. | средн. | макс. | мин. | средн. | макс. | мин. | средн. | макс. | |
| 1 | 284 | 368 | 541 | 378 | 391 | 459 | 0,186 | 0,215 | 0,283 |
| 2 | 189 | 244 | 283 | 413 | 453 | 558 | 0,171 | 0,198 | 0,238 |
| 3 | 543 | 326 | 555 | 349 | 405 | 488 | 0,253 | 0,207 | 0,281 |
| 4 | 230 | 364 | 617 | 301 | 422 | 494 | 0,151 | 0,223 | 0,315 |
| 5 | 609 | 528 | 682 | 314 | 371 | 470 | 0,262 | 0,255 | 0,327 |
Аналогично рассчитывали коэффициенты кобонитета для других звеньев полевых севооборотов (табл. 2).
Интервал варьирования значений коэффициентов кобонитета существенно зависит от выбранного уровня агроэкологических факторов: на минимальном уровне он изменяется от 0,151 до 0,262; на среднем – от 0,198 до 0,255; на максимальном - от 0,238 до 0,327 (рис. 5).
Рисунок 5 - Распределение значений коэффициентов кобонитета по уровням агроэкологических факторов
Интервал варьирования значений коэффициентов кобонитета зависит также и от выбранного звена. В первом звене он колеблется от 0,186 до 0,283; во втором – от 0,171 до 0,238; в третьем - от 0,207 до 0,281; в четвертом - от 0,151 до 0,315; в пятом – от 0,255 до 0,327 (рис. 6).
Рисунок 6 - Распределение значений коэффициентов кобонитета по звеньям
Проведенные исследования показывают, что коэффициенты кобонитета адекватно отражают двойственную оценку плодородия посредством показателя энергопродуктивности яровой пшеницы в исследуемых звеньях. В методическом аспекте понятие кобонитета неразрывно связано с энергетическим уровнем агроэкосистемы и звеньями полевых севооборотов. Дальнейшая разработка теории должна учитывать эти особенности двойственного подхода.
На современном этапе развития рыночных отношений проблема оценки земель с точки зрения их качества является очень важной. Плодородие - это незаменимый ресурс для человека, очень сложное понятие и зависит от комплекса свойств почвы. В связи с этим возникает огромная сложность выбора критериев оценки качества почвенного плодородия.
Наличие достоверных статистических связей между урожайностью и свойствами почв дает возможность оценить почвенное плодородие на математико-статистической основе (Топтыгин, 2001). Однако для этого необходимо обосновать оценочные свойства почвы и математически описать совокупное их влияние на величину урожая.
Для оценки бонитета различных полей в соответствующем звене севооборота нами предлагается использовать модель двойственного бонитета, основанного на энергетическом подходе к данной проблеме. При этом, воздействие звеньев севооборотов основано на учете наиболее важных факторов – продуктивность звена и возврат в почву растительных остатков.
В этом случае воздействие культурных растений следует оценивать не по отдельности, а в соответствующем звене севооборота. Для этого можно применять структурные энергетические коэффициенты 
, которые формируются из оценок соответствующих коэффициентов для различных звеньев полевых севооборотов.
При разработке бонитета необходимо учитывать воздействие выращиваемых на данном поле сельскохозяйственных культур, которые определяют эффективность севооборота и характер его влияния на почвенное плодородие. Каждый севооборот состоит из отдельных звеньев, взаимодействие которых в значительной мере определяет его новые свойства. Различное сочетание этих звеньев предопределяет все разнообразие применяемых севооборотов.
Следовательно, знание характера и степени влияния различных звеньев полевых севооборотов на состояние почвенного плодородия позволяет использовать эту информацию в качестве объективного дополнительного показателя бонитета исследуемой почвы. Поскольку все культуры выращивались в звеньях севообороте, вполне естественно, что бонитет будет зависеть от их чередования.
В основу энергетической оценки почвенного плодородия по исследуемым звеньям полевых севооборотов положены методы энергетического анализа агроэкологической системы. С этой целью на первом этапе была рассчитана энергоемкость пахотного и подпахотного слоев почвы, которую находили по запасам гумуса в соответствии с нормативами оценки плодородия почв (ОСТ – 10 294 – 2002). Вынос энергии культурами звеньев полевых севооборотов определяли по урожайности предшественников и размещаемых после них посевов яровой пшеницы в течение двух лет. Количество энергии корневых и пожнивных растительных остатков, поступающих в почву, зависит от их массы, остающейся после предшественников и последующих посевов яровой пшеницы (Кильби, 1970, Усеня, 1998, Цыбулька, 2006).
Вынос энергии из почвы обуславливается абсолютной величиной урожая основной и побочной продукции.
Энергетический баланс 
в агроэкосистеме рассчитывали как разность между энергией почвы 
и энергией, отчуждаемой с урожаем 
, причем энергию растительных остатков 
учитывали как приходную часть энергетического баланса:
, 
.
Для описания влияния предшественников в звене севооборота на урожайность яровой пшеницы вводили структурную функцию
(10)
от энергосодержаний звена 
и двух предшественников, соответственно, 
, 
(МДж/т). Заметим, что структурная функция 
возникает в двойственных моделях урожайности яровой пшеницы. Оценка структурных коэффициентов для каждого звена полевого севооборота формировалась из оценок соответствующих коэффициентов для первых и повторных посевов яровой пшеницы.
1. Чистый пар-пшеница-пшеница; 2. Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница;
3. Кукуруза-пшеница-пшеница; 4. Горох+овес-пшеница-пшеница; 5. Горох-пшеница-пшеница
Рисунок 7 - Значение структурного коэффициента влияния предшественников в звеньях полевых севооборотов
Распределение значений структурного коэффициента в звеньях полевых севооборотов представлено на рис. 7.
Из полученных данных следует, что структурная функция энергосодержания звена в полной мере отражает энергетическое состояние агроэкосистемы при внедрении изучаемых звеньев полевых севооборотов.
Сравнение начальной энергетической оценки агроэкосистемы с конечным энергетическим балансом ее показывает, что сохранение энергии на постоянном уровне возможно только с помощью внешних энергетических вложений, возмещающих энергетические потери системы через внесение минеральных удобрений в почву с равным энергетическим эквивалентом:
, (11)
где 
– совокупная энергоемкость агроэкосистемы, определяемая энергией среды 
, изымаемой энергией с урожаем 
и вносимой энергией 
с минеральными удобрениями. Благодаря антропогенной энергии 
энергию агроэкосистемы можно поддерживать на постоянном уровне её полной энергоемкости. При 
получаем консервативную систему, удовлетворяющую принципу сохранения энергии, в которой 
является оценкой урожая и одновременно оценкой компенсирующих энерготехнологических воздействий.
Поскольку величина 
зависит от энергосодержания культур (
) и процентного содержания гумуса в почве (
), то количество минеральных удобрений 
и стоимость также зависят от этих параметров:
, 
, (12)
где 
(МДж/кг) – энергосодержание минеральных удобрений; 
(руб./кг) – цена азотных удобрений; 
(кг) – количество вносимых удобрений; 
(руб.) – стоимость вносимых удобрений.
Исходя из энергетической оценки факторов изменения состояния агроэкосистемы, оперирующей почвой, урожайностью и организационно-технологическими воздействиями, рассчитали чистые потери энергии системы, связанные с истощением почвы при возделывании сельскохозяйственных культур.
Для определения антропогенной энергии агроэкосистемы реализуем 
в виде прикладной Maple-программы для ЭВМ.
Проведенный анализ показал (рис. 8), что не все изучаемые звенья полевых севооборотов обеспечивают на перспективу положительный энергетический баланс в системе почва - растение. Для сохранения энергии в агроэкосистеме на постоянном уровне необходимо вносить наибольшее дополнительное количество антропогенной энергии в звеньях с кукурузой, горохом и чистым паром.
Положительный энергетический баланс складывается только в двух звеньях полевых севооборотов: люцерна 2 г.п. – яровая пшеница – яровая пшеница и горох+овес – яровая пшеница – яровая пшеница.
Рисунок 8 - Распределение значений антропогенной энергии в звеньях полевых севооборотов
Продуктивность земледелия находится в прямой зависимости от климатических и почвенных условий конкретной местности, подбора соответствующих сортов и технологий возделывания. Использование информационных средств позволяет с помощью математического моделирования дать количественную оценку верхнего предела потенциальной урожайности в разных агрометеорологических условиях и выявить различные функциональные связи во взаимодействии составляющих факторов.
На основании разработанной модели формирования урожайности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов на черноземах выщелоченных (Ас № 2006612759 от 04.08.2006) построены графические поверхности отклика. Они являются графической интерпретацией аналитической зависимости урожайности зерна яровой пшеницы от различных значений сочетаний переменных (х).
Знание зависимостей такого взаимодействия факторов жизни растений дает возможность не только непосредственно воздействовать на любой другой фактор, но и косвенно управлять процессом роста и развития растений через другие тесно связанные с ним факторы с целью получения максимальных урожаев (Каюмов, 1989).
Проведенный анализ показал, что при различном уровне обеспеченности агроэкологическими факторами максимальная величина продуктивности яровой пшеницы получена при парном взаимодействии исследуемых факторов и для первых и для повторных посевов яровой пшеницы, высеваемой после чистого пара, люцерны 2 г.п. и кукурузы.
Реакция посевов яровой пшеницы, размещаемой после совместных посевов гороха с овсом на сено и гороха в чистом виде, была значительно слабее.
Глава 4
Размещение звеньев полевых севооборотов на черноземах
Рациональное размещение культур на пашне позволяет разрешить многие противоречия экологического характера без особых материальных затрат (Кирюшин, 2000). Применяемые в настоящее время традиционные методы распределения севооборотов на пашне не дают возможности в полной мере с единых методологических позиций дать оценку взаимодействия энергетических и продукционных потоков в технологическом комплексе.
При новом взгляде на размещение севооборотов как на системный процесс организации агроэкосистемы с учетом энергетики природной среды возникает задача обоснования внутренней структуры севооборотов, влияющей не только на урожайность яровой пшеницы, но и на сохранение почвенного плодородия с учетом предполагаемой экономической эффективности производства продукции растениеводства. Ведение экологически аргументированного земледелия должно основываться на экологической безопасности и экономической целесообразности при осуществлении любых взаимодействий человека с природой (Щербаков, 1991).
Экспериментальная проверка нового методического подходов к размещению звеньев полевых севооборотов, обеспечивающего производство необходимого количества энергии без ущерба для окружающей среды, проводилась на черноземах. Расчеты по составлению энергетической модели размещения звеньев полевых севооборотов выполнялись для учебно-опытного хозяйства «Миндерлинское» КрасГАУ, имеющего в структуре землепользования 2170,3 га таких почв на пашне.
Результаты расчетов свидетельствуют (табл. 3), что наибольшее количество общей энергии получено при внедрении планов размещения пяти звеньев полевых севооборотов (14% чистого пара, 29% кормовых культур, 57% зерновых и зернобобовых культур), максимизирующих количество аккумулированной энергии растительных остатках и выход общей энергии.
Таблица 3 - Изменение энергетических потоков при размещении на пашне пяти звеньев полевых севооборотов
| План | Энергия, МДж | |||
| общая | совокупной продукции | растительных остатков | выноса | |
| Минимизация выхода общей энергии | 0,1671011 | 0,310109 | 0,274109 | 0,361108 |
| Максимизация выхода общей энергии | 0,168·1011 | 0,307·109 | 0,285·109 | 0,215108 |
| Минимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,167·1011 | 0,302·109 | 0,270·109 | 0,319108 |
| Максимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,167·1011 | 0,313109 | 0,286109 | 0,265108 |
| Минимизация энергии растительных остатков | 0,167·1011 | 0,303·109 | 0,269·109 | 0,340·108 |
| Максимизация энергии растительных остатков | 0,168·1010 | 0,311·109 | 0,288·109 | 0,232·108 |
| Равновесный | 0,167·1010 | 0,308·109 | 0,279·109 | 0,289·108 |
По величине энергии совокупной продукции неоспоримое преимущество имеет план, максимизирующий данный показатель.
Наибольшая величина энергии растительных остатков получена при введении плана, максимизирующего количество данной энергии. Повышенный вынос энергии отмечен при внедрении плана, минимизирующего выход общей энергии, а самый низкий - при максимизации выхода общей энергии.
Создание энергетически уравновешенного плана на черноземах подразумевает собой нахождение центрального интервала варьирования потоков энергии в агроэкосистеме. Это позволяет определить местоположение любого плана размещения звеньев полевых севооборотов относительно равновесного.
При внедрении равновесного плана распределение звеньев полевых севооборотов по площади пашни в зависимости от содержания гумуса в почве в таком случае происходит сравнительно равномерно. Причем, эта зависимость характерна для всех звеньев полевых севооборотов.
Рисунок 9 - Согласование целей оптимизации размещения звеньев полевых севооборотов: 
– производственный план, га; 
– равновесный план, га; 
– область допустимых значений планов при размещении на пашне звеньев полевых севооборотов по агроэкологическим требованиям
Расчеты показывают, что при такой структуре пашни и внедрении равновесного плана энергетический уровень агроэкосистемы обеспечивает 580 ротаций исследуемых звеньев полевых севооборотов. Применение плана, минимизирующего выход общей энергии, этот период сокращает до 464 ротаций, а максимизирующего – увеличивает до 779 ротаций звеньев.
Следует отметить, что абсолютные величины энергетических потоков при той же структуре пашни будут существенно зависеть от наличия массивов с разной степенью гумусированности. Проведенные исследования (Ивченко, 2007) показали, что для хозяйств, имеющих в структуре пашни по 500 га земельных массивов с содержанием гумуса 2,1-4,0%; 4,1-6,0%; 6,1-8,0%; 8,1-10,0% и более 10,0% максимальный абсолютный уровень выхода общей энергии не превышает 0,161·1011 МДж. Однако характерные особенности формирования энергетических потоков будут сохраняться.
В настоящее время в силу объективных причин в структуре пашни в Красноярском крае резко снизилась доля посевов кукурузы (до 0,7%) и гороха (до 0,35%).
В связи с этим возрастает роль чистого пара, многолетних трав и совместных посевов гороха с овсом как предшественников для яровой пшеницы.
Проведенные расчеты показали (табл. 4), что при сложившейся структуре пашни (17% чистого пара, 27% кормовых культур и 54% яровой пшеницы) выход общей энергии будет варьировать в зависимости от вида плана от 0,1671011 до 0,1681011 МДж.
Таблица 4 - Изменение энергетических потоков при размещении на пашне трех звеньев полевых севооборотов
| План | Энергия, МДж | |||
| общая | совокупной продукции | растительных остатков | выноса | |
| Минимизация выхода общей энергии | 0,167·1011 | 0,262·109 | 0,234·109 | 0,276·108 |
| Максимизация выхода общей энергии | 0,168·1011 | 0,264·109 | 0,218·109 | 0,160·108 |
| Минимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,167·1011 | 0,260·109 | 0,239·109 | 0,216·108 |
| Максимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,167·1011 | 0,266·109 | 0,244·109 | 0,216·108/ |
| Минимизация энергии растительных остатков | 0,167·1011 | 0,262·109 | 0,234·109 | 0,276·108 |
| Максимизация энергии растительных остатков | 0,168·1011 | 0,266·109 | 0,248·109 | 0,160·108 |
| Равновесный | 0,167·1011 | 0,263·109 | 0,241·109 | 0,217·108 |
По сравнению с предыдущей структурой отмечено снижение количества энергии совокупной продукции (на 0,420·108 – 0,470·108 МДж), энергии растительных остатков (на 0,350·108 – 0,650·108 МДж).
Вынос энергии также снижается (на 0,550·107 – 0,850·107 МДж.)
Расчетами установлено, что при исключении звеньев с пропашным и зернобобовым предшественниками и внедрении равновесного плана энергетический уровень агроэкосистемы обеспечивает 762 ротации звеньев полевых севооборотов. Применение плана, минимизирующего выход общей энергии, этот период сокращает до 608 ротаций, а максимизирующего – увеличивает до 1049 ротаций звеньев.
Исследованиями установлено, что при повышении доли люцерны в структуре пашни с 8 до 18% выход общей энергии увеличится по сравнению с предыдущей структурой пашни на 0,196108 – 0,220108 МДж. Величина получаемой энергии совокупной продукции повышается в таком случае на 0,180108 – 0,200108 МДж (табл. 5).
Увеличивается также абсолютное значение количества энергии, аккумулированной в растительных остатках (на 0,370108 - 0,430108 МДж).
В то же время резко снижается вынос энергии. Следует заметить, что при такой структуре пашни положительный баланс энергии складывается при внедрении планов, максимизирующих энергетические потоки. Превышение возврата энергии над ее выносом составляет от 0,365107 МДж и до 0,597107 МДж.
Таблица 5 - Изменение энергетических потоков при размещении на пашне трех звеньев полевых севооборотов
| План | Энергия, МДж | |||
| общая | совокупной продукции | растительных остатков | выноса | |
| Минимизация выхода общей энергии | 0,168·1011 | 0,279·109 | 0,271·109 | 0,794·107 |
| Максимизация выхода общей энергии | 0,168·1011 | 0,285·109 | 0,291·109 | -0,597·107 |
| Минимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,168·1011 | 0,278·109 | 0,273·109 | 0,478·107 |
| Максимизация выхода энергии совокупной продукции | 0,168·1011 | 0,286·109 | 0,289·109 | -0,365·107/ |
| Минимизация энергии растительных остатков | 0,168·1011 | 0,279·109 | 0,271·109 | 0,794·107 |
| Максимизация энергии растительных остатков | 0,168·1011 | 0,284·109 | 0,291·109 | -0,597·107 |
| Равновесный | 0,168·1011 | 0,282·109 | 0,281·109 | 0,878·106 |
В целом, стратегию формирования планов по размещению звеньев полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи можно сформулировать, основываясь на обобщении полученных данных. В частности, при внедрении планов, направленных на минимизацию энергетических потоков, увеличивается вынос энергии, что приводит к снижению энергоемкости системы.
С экологической точки зрения наиболее приемлемыми являются планы, ориентированные на максимизацию продукционных потоков. В частности, внедрение таких планов способствует увеличению абсолютных показателей выхода общей энергии, а также энергии совокупной продукции и количества аккумулированной энергии в растительных остатках. В этом случае вынос энергии снижается по сравнению с планами минимизации. Это способствует увеличению энергоемкости и повышению устойчивости агроэкосистемы.
Исключение звеньев с пропашным и зернобобовым предшественниками приводит к снижению выноса энергии из агроэкосистемы.
Посредством внедрения планов размещения звеньев полевых севооборотов, максимизирующих энергетические потоки и изменения структуры пашни можно обеспечить положительный баланс энергии в агроэкосистеме.
Как известно, воспроизводство почвенного плодородия сопровождается большими энергетическими затратами. Компенсировать их в определенной степени возможно за счет изменения размещения звеньев полевых севооборотов на пашне. Что позволяет варьировать энергетическими потоками, изменяя в нужную сторону энергоемкость системы. Рациональное размещение звеньев полевых севооборотов на пашне обеспечивает получение определенного количества энергии, которое может быть направлено на воспроизводство почвенного плодородия.
В современных условиях дефицита энергоресурсов важнейшей задачей является производство продукции растениеводства без ущерба для окружающей среды. Разработанная модель позволяет оптимизировать энергетические потоки в агроэкосистеме и за счет варьирования размещения звеньев полевых севооборотов на пашне решать энергетические, экологические и экономические задачи. В связи с этим план формирования звеньев полевых севооборотов, направленный на получение максимального количества общей энергии, является наиболее оптимальным. Самое неблагоприятное влияние на энергетическую устойчивость системы оказывают планы, минимизирующие энергетические потоки.
Используемая в сельскохозяйственном производстве энергия органического вещества почвы может компенсироваться в значительной степени за счет изменения направленности продукционных потоков, которые можно регулировать посредством изменения размещения звеньев полевых севооборотов на пашне. Структура размещения звеньев должна быть динамичной и позволять рационально использовать энергию агроэкосистемы.
Глава 5
Экономические показатели формирования энергопродуктивности яровой пшеницы в агроэкосистемах
В практике сельскохозяйственного производства принято размещать чередуемые культуры в севооборотах в соответствии с рекомендуемой научно – обоснованной структурой пашни.
При расчете плана размещение звеньев полевых севооборотов контрольные числа 
по агроэкологическим требованиям на структуру пашни устанавливались по формуле6
, (13)
где 
– площадь, отводимая под звенья полевых севооборотов, га; 
– рекомендуемая норма площади под 
-звено, % площади; 
– накопленная норма площади, отводимая под предшественники от общей площади пашни, %.
Удельную экономическую оценку выносящего энергетического потока из агроэкосистемы определяли посредством следующей формулы:
, (14)
где 
– вынос энергии в денежном эквиваленте, руб./га; 
– вынос энергии из агроэкосистемы, МДж/га; 
– цена азотных удобрений, руб./кг; 
– энергосодержание азотных удобрений, МДж/кг.
Рациональное размещение звеньев полевых севооборотов на пашне позволяет существенно повысить валовые сборы продукции предшественников и зерна яровой пшеницы и экономическую эффективность возделывания этой культуры. При внедрении плана размещения пяти звеньев полевых севооборотов, направленного на максимизацию выхода энергии совокупной продукции, стоимость продукции растениеводства составляет 0,384·108 руб.
Вынос энергии в денежном эквиваленте достигает 0,229·107 руб. (табл. 6).
Таблица 6 – Вынос энергии продукцией культур пяти звеньев при внедрении
плана максимизации выхода энергии совокупной продукции
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 1841,2 | 0,737·107 | 0,235·107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 4046,7 | 0,631·107 | 2169,4 | 0,868·107 | -0,253·107 |
| Кукуруза-пшеница-пшеница | 8257,2 | 0,446·107 | 987,4 | 0,395·107 | 0,154·107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 692,8 | 0,998·106 | 842,3 | 0,337·107 | -26110,7 |
| Горох-пшеница-пшеница | 287,0 | 0,981·106 | 561,8 | 0,225·107 | 0,956·106 |
| Сумма | 13283,7 | 0,128·108 | 6402,1 | 0,256·108 | 0,229·107 |
Больше всего энергии выносится культурами зернопарового звена. В звеньях с многолетними травами и занятым паром возврат энергии превышает вынос ее соответственно на 0,253107 руб. и 26110,7 руб.
Таблица 7 - – Вынос энергии продукцией культур трех звеньев при внедрении плана максимизации выхода энергии совокупной продукции
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 2389,3 | 0,956·107 | 0,305·107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 5330,9 | 0,832·107 | 2857,8 | 0,114·108 | -0,333·107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 1125,7 | 0,162·107 | 1368,6 | 0,548·107 | 36022,8 |
| Сумма | 6456,6 | 0,994·107 | 6615,7 | 0,264·108 | -0,316·106 |
При введении плана, максимизирующего выход энергии совокупной продукции с долей многолетних трав в структуре пашни, составляющей 18%, стоимость продукции предшественников снижается по сравнению с предыдущей структурой пашни с 0,128·108 руб. до 0,994·107 руб. (табл. 7).
Стоимость же валового сбора зерна яровой пшеницы повышается с 0,256·108 руб. до 0,264108 руб.
Необходимо отметить, что при такой структуре пашни возврат энергии с растительными и пожнивными остатками превышает вынос ее с урожаем в денежном эквиваленте на 316027,0 руб.
Рациональное размещение звеньев полевых севооборотов на пашне позволяет перераспределить энергетические потоки таким образом, чтобы повысить энергоемкость агроэкосистемы.
Этим требованиям в наибольшей мере отвечает план, максимизирующий выход общей энергии.
При внедрении плана максимизации выхода общей энергии для пяти звеньев полевых севооборотов стоимость продукции растениеводства составляет 0,378·108 руб. (табл. 8). Это ниже по сравнению с планом, максимизирующим выход энергии совокупной продукции при такой же структуре пашни. Уменьшается также вынос энергии в денежном эквиваленте (на 430000 руб.).
Таблица 8 - Вынос энергии продукцией культур пяти звеньев при внедрении
плана максимизации выхода общей энергии
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 1899,3 | 0,760·107 | 0,242·107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 4177,9 | 0,652·107 | 2239,6 | 0,896·107 | -0,260·107 |
| Кукуруза-пшеница-пшеница | 6562,3 | 0,354·107 | 784,8 | 0,314·107 | 0,122·107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 818,4 | 0,118·107 | 995,1 | 0,398·107 | -30848,7 |
| Горох-пшеница-пшеница | 255,1 | 0,872·106 | 499,5 | 0,200·107 | 0,850·106 |
| Сумма | 11813,7 | 0,121·108 | 6418,3 | 0,257·108 | 0,186·107 |
Внедрение плана максимизации выхода общей энергии для трех звеньев полевых севооборотов (исключая звенья с кукурузой и горохом) с долей многолетних трав в структуре пашни, равной 18%, способствует повышению стоимости продукции растениеводства на 60000 руб. (табл. 9) по сравнению с планом максимизации выхода энергии совокупной продукции для этих же звеньев.
Возврат энергии с растительными остатками в таком случае превышает вынос ее на 516211,7 руб.
Таблица 9 - Вынос энергии продукцией культур трех звеньев при внедрении
плана максимизации выхода общей энергии
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 2235,7 | 0,894·107 | 0,285·107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 5330,9 | 0,832·107 | 2857,8 | 0,114·108 | -0,332·107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 1226,9 | 0,177·107 | 1491,6 | 0,597·107 | -46242,7 |
| Сумма | 6557,8 | 0,101·108 | 6585,1 | 0,263·108 | -0,516·106 |
Экономическая оценка внедрения равновесного плана показывает, что стоимость валовой продукции предшественников составляет 0,119108 руб. (табл. 10), а зерна яровой пшеницы 0,256·108 руб. Ведущая роль в увеличении валового сбора зерна яровой пшеницы, выраженном в стоимостном эквиваленте, принадлежит зернопаровому и зернотравяному звеньям.
Таблица 10 - Вынос энергии продукцией культур пяти звеньев при внедрении
равновесного плана
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 2023,1 | 0,809·107 | 0,259·107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 3780,4 | 0,590·107 | 2026,6 | 0,811·107 | -0,236·107 |
| Кукуруза-пшеница-пшеница | 7346,7 | 0,397·107 | 878,6 | 0,351·107 | 0,137·107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 763,7 | 0,110·107 | 928,4 | 0,371·107 | -28782,7 |
| Горох-пшеница-пшеница | 279,8 | 0,957·106 | 547,9 | 0,219·107 | 0,932·106 |
| Сумма | 12170,6 | 0,119·108 | 6404,6 | 0,256·108 | 0,250·107 |
Вынос же энергии равновесного плана не превышает 0,250·107 руб.
Введение равновесного плана для трех звеньев полевых севооборотов, с долей многолетних трав в структуре пашни, равной 18%, показывает (табл. 11), что по сравнению с размещением пяти звеньев наблюдается снижение валовых сборов продукции предшественников и увеличение валового сбора зерна яровой пшеницы. При этом если стоимость продукции предшественников уменьшается на 0,280107 руб., то зерна яровой пшеницы увеличивается на 700000 руб.
Таблица 11 - Вынос энергии продукцией культур трех звеньев при внедрении
равновесного плана
| Звено | Валовой сбор | Вынос энергии, руб. | |||
| продукция предшественников | зерно яровой пшеницы | ||||
| т | руб. | т | руб. | ||
| Чистый пар-пшеница-пшеница | 0 | 0 | 2469,9 | 0,988107 | 0,316107 |
| Люцерна 2 г.п.-пшеница-пшеница | 4861,3 | 0,758107 | 2606,1 | 0,104108 | -0,304107 |
| Горох+овес-пшеница-пшеница | 1239,3 | 0,179107 | 1506,8 | 0,603107 | -44091,2 |
| Сумма | 6100,6 | 0,937107 | 6582,8 | 0,263108 | 75908,8 |
Вынос энергии в денежном выражении снижается с 0,257·107 руб. до 75908,8 руб.
В целом, использование аналитического моделирования, основанного на энергетическом подходе, дает возможность выявить изменения направленности энергетических потоков. Установлен разный уровень поглощения энергии при взаимодействии биологических структур с поступающим энергетическим потоком. Количественная оценка энергопродуктивности технологического процесса необходима для рационального построения системы севооборотов, позволяющей учитывать как экономическую, так и экологическую составляющие.
Выводы
1. Существующие в настоящее время методы программирования урожаев и биоэнергетической оценки агроэкологических условий выращивания яровой пшеницы не дают возможности в полной мере с единых методологических позиций оценить взаимодействие экологических факторов и их влияние на продуктивность яровой пшеницы в агроэкосистемах на черноземах Красноярской лесостепи.
2. Разработанная модель формирования энергопродуктивности яровой пшеницы в звеньях полевых севооборотов с учетом суммарной солнечной радиации, количества атмосферных осадков, суммы положительных температур за период с мая по август, запасов доступной влаги в метровом слое почвы в период посева и кущения, содержания нитратного азота в 0-40 см слое почвы в период посева позволяет достаточно полно с большой вероятностью прогнозировать возможную продуктивность яровой пшеницы.
3. Общая модель продуктивности яровой пшеницы представлена регрессионной функцией, построенной с учетом звеньев полевых севооборотов, агроэкологических факторов, энергосодержаний предшественников, а также структурной функции 
, которая отражает характеристику звена с двумя предшественниками, имеющими, соответственно, энергосодержание 
и 
.
4. Устойчивое сохранение энергетического баланса агроэкосистемы в звеньях с кукурузой, чистым паром и горохом обусловлено дополнительным внесением антропогенной энергии в виде удобрений. Положительный энергетический баланс, т.е. превышение остающейся в почве энергии над ее выносом с биологическим урожаем установлен в звеньях с люцерной 2 г.п. и совместными посевами гороха с овсом на сено.
5. Средняя энергоэкономическая продуктивность яровой пшеницы имеет устойчивую квазипериодическую динамику в отличие от рассчитанных периодов колебаний энергии, обусловленных биологией конкретных растений в звеньях полевых севооборотов, и пригодна для решения задачи прогнозирования производства зерна в растениеводстве.
6. Агроэкологический кобонитет адекватно отражает двойственную оценку плодородия среды агроэкосистемы посредством показателя энергопродуктивности яровой пшеницы в исследуемых звеньях полевых севооборотов. Интервал варьирования коэффициентов кобонитета существенно зависит от уровня обеспеченности агроэкологическими факторами и конкретного звена. В методическом аспекте понятие кобонитета неразрывно связано с энергетическим уровнем агроэкосистемы и звеньями полевых севооборотов.
7. Размещение звеньев полевых севооборотов на пашне в соответствии с разработанной методикой позволяет изменять продуктивность в агроэкосистеме и, как следствие, увеличить интервал варьирования выхода общей энергии от 5331,9 до 6743,0 МДж/га. Повышение доли люцерны в структуре пашни с 8 до 18% снижает вынос энергии из агроэкосистемы и обеспечивает положительный ее баланс при внедрении планов максимизации энергетических потоков. Превышение возврата энергии над выносом составляет 1685,5 - 2753,1 МДж/га.
8. Энергетический уровень агроэкосистемы, имеющей в структуре пашни 17% чистого пара, 31% кормовых культур и 52% яровой пшеницы обеспечивает 762 ротации звеньев полевых севооборотов при внедрении равновесного плана. Применение плана, минимизирующего выход общей энергии, сокращает этот период до 608, а максимизирующего - увеличивает до 1049 ротаций звеньев.
9. Рациональное размещение изучаемых звеньев полевых севооборотов на пашне обеспечивает экономический эффект в размере 620,56 руб./га.
Практические рекомендации
Для использования в производстве необходимо освоить рекомендуемую энергоэкономическую модель размещения звеньев полевых севооборотов с целью экологической стабилизации наибольшей продуктивности яровой пшеницы в агроэкосистеме.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Ивченко В.К. Влияние длительного применения удобрений на некоторые физико-химические свойства и пищевой режим выщелоченного чернозема Красноярской лесостепи / В.К. Ивченко // Научные основы интенсификации земледелия и пути повышения плодородия почв и урожайности с.-х. культур в Восточной Сибири. – Иркутск, 1979. – С. 112-117.
2. Ивченко В.К. Влияние регулярного внесения удобрений на питательный режим почвы / В.К. Ивченко // Резервы повышения продуктивности агроценозов Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 1983, - Вып. 20. – С. 16-18.
3. Ивченко В.К. Изучение агрохимических свойств фосфоритов Телексого и Сейбинского месторождений: закл. отчет / В.К. Ивченко, А.Д. Колесняк, Ю.Е. Мациенко, А.А. Выручек. - Красноярск, 1988. – 66 с. № гос. регистрации 01890046668.
4. Ивченко В.К. Агрохимические испытания последействия Сейбинской фосфоритной муки: закл. отчет / В.К. Ивченко, В.Ф. Ивченко, Ю.Е. Мациенко. – Красноярск, 1991. – 72 с. № гос. регистрации 01890076970.
5. Ивченко В.К. Фосфоритная мука Сейбинского месторождения как фосфорное удобрение / В.К Ивченко, А.А. Выручек, А.Д. Колесняк, Ю.Е..Мациенко // Особенности агротехники сельскохозяйственных культур в Восточной Сибири: сб. науч. тр. / РАСХН. Сиб. отд-ние. Краснояр. НИИСХ. – Новосибирск, 1991. – С. 111-117.
6. Едимеичев Ю.Ф. Интенсивность основной обработки на черноземных почвах Красноярской лесостепи / Ю.Ф. Едимеичев, В.К Ивченко, Ю.Е. Мациенко // Плодородие почв и агротехника сельскохозяйственных культур в Восточной Сибири: сб. науч. тр. / РАСХН. Сиб. отд-ние. Краснояр. НИИСХ. – Новосибирск, 1992. – С. 82-87.
7. Ивченко В.К Влияние способов основной обработки почвы на питательный режим и урожайность культур в севообороте / В.К. Ивченко, Ю.Ф. Едимеичев, С.Л. Дмитриенко, В.Ф Ивченко // Почвы и повышение их производительной способности: сб. науч. тр. / РАСХН. Сиб. отд-ние. Краснояр. НИИСХ. - Новосибирск, 1993. – С. 132-135.
8. Едимеичев Ю.Ф. Эффективность основной обработки почвы в зернопаропропашном севообороте / Ю.Ф. Едимеичев, В.К. Ивченко // Совершенствование элементов зональной системы земледелия Красноярского края: сб. науч. тр. - Красноярск, 1995. – С. 69-76.
9. Едимеичев Ю.Ф. Влияние различных технологий обработки почвы в севообороте на фитосанитарное состояние посевов и биологические свойства выщелоченного чернозема Красноярской лесостепи / Ю.Ф. Едимеичев, В.К. Ивченко, Д.Е. Полонская, В.Ф. Терехова // Земледелие и селекция в Приенисейской Сибири. – Красноярск, 1996. – С. 53-56.
10. Ивченко В.К. Эффективность сейбинской фосфоритной муки на оподзоленных черноземах лесостепной зоны Красноярского края / В.К Ивченко, В.Ф. Ивченко // Роль минерально-сырьевой базы Сибири в устойчивом функционировании плодородия почв: мат-лы всерос. научн.-практ. конф. - Красноярск, 2001. – С. 193-196.
11. Бекетов А.Д. Севооборот – основа систем земледелия / А.Д. Бекетов, А.М. Берзин, В.М. Таскина, О.А. Бекетова, В.К. Ивченко. – Красноярск, 2001. – 96 с.
12. Бекетов А.Д. Земледелие Восточной Сибири / А.Д. Бекетов, В.К. Ивченко, Т.А. Бекетова // Учеб. пособие. Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2003. – 388 с.
13. Цугленок Н.В. Эффективность минимализации основной обработки почвы в пятипольном зернопаропропашном севообороте / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №12. – С. 204-207.
14. Цугленок Н.В. Эколого – энергетическая модель размещения звеньев полевых севооборотов на пашне / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко, О.Г. Дьяченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №13. – С. 209-212.
15. Цугленок Н.В. Результаты статистического и экспертного анализа основных агроэкологических факторов повышения энергопродуктивности яровой пшеницы в системе звеньев полевых севооборотов / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №14. – С. 184-188.
16. Цугленок Н.В. Модель урожайности яровой пшеницы в структуре звеньев полевых севооборотов на выщелоченных черноземах Красноярской лесостепи / Н.В. Цугленок, А.А. Беляков, Е.Н. Дмитриенко, О.Г. Дьяченко, В.К. Ивченко, М.В. Луганцева - Ас № 2006612759 от 04.08.2006.
17. Цугленок Н.В. Гармонический анализ поля суммарной солнечной радиации на территории Красноярского края / Н.В. Цугленок, В.Н. Цугленок, Г.И. Цугленок, А.А. Беляков, Е.Н. Дмитриенко, В.К. Ивченко. - Ас №2007610047 от 17.10.2006.
18. Цугленок Н.В. Экологическая модель продуктивности яровой пшеницы в структуре звеньев полевых севооборотов на черноземах Красноярской лесостепи / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №14. – С. 188-195
19. Цугленок Н.В. Расчет энергоэкономического эффекта при согласовании целей оптимизации системы звеньев полевых севооборотов на пашне / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №15. – С. 103-108.
20. Цугленок Н.В. Эколого – энергетическое обоснование планов формирования системы звеньев полевых севооборотов на пашне / Н.В. Цугленок, В.К. Ивченко // Вестн. КрасГАУ, 2006. - №15. – С. 249-256.
21. Ивченко В.К. Влияние взаимодействия агроэкологических факторов на продуктивность яровой пшеницы в звеньях с чистым и занятым парами / В.К. Ивченко // Состояние и перспективы современных систем земледелия Сибири: мат-лы междунар. научн. - практ. конф., посвященной 50-летию кафедры общего земледелия Бурятской ГСХА. – Улан-Удэ, 2007. – С. 79-84.
22. Ивченко В.К. Моделирование размещения звеньев полевых севооборотов на пашне по выходу общей энергии / В.К. Ивченко // Аграрная наука – сельскому хозяйству: сб. статей Междунар. научн. – практ. конф. - Барнаул, 2007. - Кн.I.. – С. 380-383.
