Постановка проблемы (Introduction)

Кормовые ресурсы сенокосов и пастбищ сухостепной зоны Северного Кавказа обеспечивают производство до 30 % кормов от общей их потребности в животноводстве [1, с. 116],[ 2, с. 478].

Растительность на каштановых почвах зоны сухих степей представлена злаково-полынными ассоциациями с преобладанием растений семейств маревых, злаковых и полыни, урожайность которых не превышает 1,5–1,8 т/га зеленой массы [3, с. 153], [4, с. 6330], [5, с. 81], [6, с. 9].

При неблагоприятных условиях увлажнения целесообразно создание одноукосных травостоев с преобладанием в составе агрофитоценоза таких засухоустойчивых видов, как пырей, житняк, донник [7, с. 3], [8, с. 66].

Для аридной зоны при одноукосном использовании травостоя злаковые травы скашивают в фазу конца выхода в трубку – начало колошения (выметывания) доминирующего вида, а бобовые – в фазу бутонизации – начала цветения [9, с. 10], [10, с. 7].

По этой причине для продления периода оптимальных сроков уборки трав и равномерности поступления сырой массы в течение сезона целесообразно в травостое иметь несколько типов различных по скороспелости травосмесей – ранние, средние, позднеспелые [11, с. 23], [12, с. 20], [13, с. 13], [14, с. 19].

Рост кормовой продуктивности поливидовых агрофитоценозов при разных режимах использования происходит в основном за счет активизации работы листового аппарата вследствие улучшения стратегии распределения ассимилятов в растении на протяжении всего онтогенеза [15, с. 8].

Исследования фотосинтетической деятельности растений многолетних трав с использованием контрастных видов и сортов при варьировании условий выращивания имеет несколько практических аспектов. В последние годы наибольшее внимание уделяется изучению генотипических различий в активности и продолжительности работы фотосинтетического аппарата многолетних бобовых и злаковых трав и поиску путей повышения его активности как селекционными, так и технологическими способами.

До недавнего времени исследований фотосинтетической деятельности многолетних трав, агроэнергетической эффективности их выращивания, позволяющих раскрыть особенности формирования кормовой продуктивности у сортов нового поколения, в зоне сухих степей не проводилось. Этим и объясняется актуальность объекта исследований, направленная на совершенствование системы лугового кормопроизводства в аридных районах Северного Кавказа.   

Методология и методы исследования (Methods)

В процессе выполнения работ использовали общенаучные методы синтеза, аналогии, выдвижения и проверки гипотез и морфофизиологические методы исследований.

Полевые исследования и лабораторные анализы выполняли в 2016–2019 гг. в соответствии с отраслевой и научной нормативной документацией.

Почвы землепользования (СПК племзавод «Дружба» Апанасенковского района Ставропольского края), в котором проводились исследования, – каштановые с содержанием гумуса в горизонте А 1,98 %. 

В контрольном фитоценозе растительный покров полынно-злаковой модификации представлен 12 видами трав, в их числе злаковые – 35 % от общего числа, разнотравье – 65 %, бобовые отсутствуют. При этом на малолетники, представленные сорной флорой, приходится 40 %. Травостой сильно деградирован. Поверхность почвы покрыта растительностью на 25 %. Злаковую основу фитоценозов малодернистой степи представляют типчак, тонконог, ковыль, мятлик луковичный и др. Наряду с однолетниками и эфемерами в контрольном варианте присутствовал ромашник тысячелистниковый (10–12 %).     

Изучаемые группы растений по расположению листьев выглядят следующим образом:

• люцерна желтая (Medicago falcate L.), сорт Татьяна (среднеранний) – листья низовые; период от начала весеннего отрастания до укосной спелости (бутонизация – начало цветения) – 72–5 дней;
• донник желтый двулетний (Melilotus officinalis (L.) Desr.), сорт Золотистый (скороспелый) – листья верховые; в год посева не цветет, используется в качестве покровной культуры, от посева до уборки проходит 62-65 дней. Во 2-й год жизни укосной спелости достигает через 35-55 дней после начала вегетации;
• пырей средний (сизый) (Elytrigia intermedia (Host.) Nevski), сорт Ставропольский 1 (cреднеспелый) – листья верховые; в 1-й год продуктивной жизни достигает укосной спелости (фаза колошения) – 15–20 июня;
• житняк сибирский (Agropyron fragile (Roth) P. Candargy), сорт Новатор (среднеранний) – листья верховые; в 1-й год продуктивной жизни достигает укосной спелости (фаза колошения) – 8–12 июня;
• фестулолиум (гибрид овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.) и райграса многоукосного (Lolium multiflorum Lam. (L. Italicum A. Braun.)), сорт Викнел (ранний) – листья верховые; в год продуктивной жизни укосной спелости достигает в 3-й декаде мая.
• эспарцет виколистный (Onobrychis vicifolia Scop.), сорт Русич (ранний) – листья низовые; в год продуктивной жизни достигает фазы бутонизации – начала цветения во 2-й декаде мая.   

Улучшение старовозрастного деградированного пастбищного фитоценоза проводили в 3-й декаде марта методом поверхностного улучшения, состоящего из двукратного дискового лущения дернины травостоя на глубину 10–12 см без оборота пласта (БДТ-3) с последующим подсевом многолетних бобово-злаковых травосмесей на глубину 3–5 см (Amazone D 9600-EC combi). После подсева выполняли прикатывание (3ККШ-6).

В травосмесях норма высева семян каждой исследуемой культуры устанавливалась в размере 35 % от полной нормы высева в одновидовых посевах: люцерна желтая – 15 кг/га; донник желтый – 20 кг/га; житняк сибирский – 25 кг/га; пырей средний – 25 кг/га; фестулолиум – 25 кг/га; эспарцет виколистный – 100 кг/га.

В качестве покровной культуры высевали донник желтый двулетний.

Урожайность пастбищного корма определяли укосным методом и выражали в абсолютно сухом веществе. Для этого на каждом варианте на четырех повторностях скашивали траву с 4 учетных площадок размером 2,5 м² каждая (1,0×2,5 м). Пробы со всех повторностей каждого варианта смешивали и отбирали среднюю массой 1,0 кг. При имитации пастбищного содержания животных траву скашивали при ее высоте 10–12 см. Общую урожайность в пересчете на 1 га определяли как сумму урожаев за 2 укоса. При сенокосном использовании травостоя траву скашивали в фазу колошения злаковых – начала цветения бобовых.    

Общая площадь делянки при обоих способах использования составляла 180 м², учетной – 50 м².

На основании технологического регламента и нормативов затрат энергии рассчитаны энергетические затраты на проведение отдельных операций и технологии в целом. Содержание обменной энергии и протеина в корме рассчитаны с учетом структуры агрофитоценоза.

Результаты (Results)

В процессе роста и развития многолетних трав конкурентные связи в агрофитоценозах различной густоты стояния и оптической плотности явились важным биотическим фактором как подавления, так и интенсификации ростовых процессов. Ярусная взаимодополняемость верховых и низовых видов трав обеспечила более полное освоение пространственных ниш и, как следствие, более эффективное использование факторов внешней среды в аридной зоне.

При поверхностном улучшении старовозрастных деградированных сенокосов и пастбищ подсев фенологически разноритмичных по продолжительности вегетационного периода многолетних бобово-злаковых травосмесей способствовал продуцированию фитомассы в течение всего периода вегетации, формированию ее высокой продуктивности на основе оптимизации фитоценотической структуры посева.

Проведенные в течение 4 лет исследования показали, что при смешанном произрастании разных видов бобовых и злаковых трав, в фитоценозе между компонентами происходит закономерная смена доминантов – одни виды заменяются и дополняются другими.

Донник желтый как покровная культура продуцирует 2 года, эспарцет – 3, люцерна желтая – 5–6 лет, а злаковые виды (кострец, житняк, пырей, фестулолиум) до 10 и более лет [7, с. 5].

Травосмеси с участием костреца дают самый ранний корм (1–2-я декада мая) с периодом кормового использования на сено до 1–2-й декады июня. При двукратном стравливании первый урожай зеленой массы готов к кормовому использованию на высоте травостоя 10–12 см уже в 3-й декаде апреля – 1-й декаде мая; второй – во 2–3-й декаде июня. В июле – августе при среднесуточной температуре воздуха 27–29 °С наблюдается пастбищная депрессия – приостановка ростовых процессов, восстановление которых начинается только во второй половине сентября, когда среднесуточные температуры опускаются до 17–19 °С, что сопровождается выпадающими осадками в этот период вегетации растений на уровне не менее 27–32 мм.

В поливидовых посевах наиболее устойчивым и долголетним был кострец безостый. Этот вид даже через 4 года после подсева доминировал в травостое – его масса в разных сочетаниях травосмесей составляла 52–58 %. Из других злаков достаточно устойчивыми были житняк гребневидный и пырей средний – 28–32 %. Менее устойчивым и продуктивным оказался фестулолиум, участие которого к 4-му году жизни в составе травосмеси не превышало 12–15 %, он оказался малопригодным для возделывания в аридной зоне. Из бобовых трав при всех сочетаниях травосмесей к 4-му году пользования наибольшую устойчивость проявила люцерна желтая, которая в травостое в процентном отношении составляла от 25 до 32 %.

Эспарцет виколистный проявил достаточно высокую эффективность в первые 3 года жизни (32–37 %), а к 4-му году сократил свое участие и формировал лишь 15–17 % урожая. Высокую устойчивость в составе травосмесей проявил донник желтый, выращиваемый как покровная культура.  

В режиме сенокосного использования наиболее экологически пластичной за 4 года жизни явилась травосмесь люцерна + житняк + кострец + эспарцет + донник, которая обеспечила по годам выход 7,29–17,58 т/га зеленой массы и 1,71–3,76 т/га сухого вещества (таблица 1).

Таблица 1

Урожайность многолетних трав по годам жизни при сенокосном и пастбищном использовании травостоя, т/га

Примечание: в числителе – сенокосное использование; в знаменателе – пастбищное использование (в сумме за 2 укоса).

Table 1

Yield of perennial grasses by years of life in haymaking and pasture use of herbage, t/ha

Note: in the numerator – hayfield use; in the denominator – pasture use (in total for 2 mowing).

При двухукосном использовании травостоя с имитацией пастбищного использования лучшие показатели продуктивности за 4 года обеспечила травосмесь – люцерна + житняк + кострец + пырей + фестулолиум + эспарцет + донник со сбором – 6,95–11,58 т/га зеленой массы и 1,02–1,80 т/га сухого вещества.

При пастбищном использовании травостоя (двухукосном) суммарная урожайность зеленой массы многолетних травосмесей оказалась в 1,8–2,4 раза ниже, чем в режиме одноукосного при сенокосном использовании.

Относительно более устойчивыми к двукратному отчуждению надземной массы и долголетними оказались такие многолетние травы, как люцерна желтая и пырей средний.

Предпосылкой решения задачи повышения продуктивности и качества поедаемой кормовой массы сенокосов и пастбищ аридной зоны путем оптимизации условий выращивания агрофитоценозов, является исследование фотосинтетической деятельности различных видов и сортов многолетних бобовых и злаковых трав, основанное на выяснении взаимодействия механизмов фотосинтеза с другими физиологическими и ростовыми процессами.

Учитывая важность такого взаимодействия для развития теории фотосинтетической продуктивности многолетних трав, оптимизации их структуры, нами была предпринята попытка оценить влияние условий выращивания на ростовые функции вегетативных надземных органов бобовых трав – люцерны желтой, эспарцета и донника желтого двулетнего в поливидовых посевах с разными видами злаковых трав (кострец, житняк, фестулолиум, пырей).

Как видно из полученных экспериментальных данных, наиболее однозначной реакцией растений на условия выращивания является изменение площади их листовой поверхности (ЛП), отношение площади листьев и сухой биомассы растений, возрастание относительной скорости роста биомассы и значение таких показателей, как фотосинтетический потенциал (ФП) и чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ).

Наибольшая фотосинтетическая активность изучаемых многолетних агрофитоценозов при двух способах использования травостоев (сенокос, пастбище) достигалась в том случае, когда в смешанных посевах между компонентами травосмеси достигалось рациональное соотношение величины листовой поверхности (ЛП) и фотосинтетического потенциала (ФП) на единицу площади листьев (таблицы 2, 3).

Таблица 2

Фотосинтетическая деятельность многолетних травосмесей при сенокосном использовании травостоя (в среднем за 2016-2019 гг.)

Table 2

Photosynthetic activity of perennial grass mixtures under hayfield use of the herbage (average for 2016–2019)

Таблица 3

Фотосинтетическая деятельность многолетних травосмесей при пастбищном использовании травостоя (в среднем за 2016–2019 гг.)

Table 3

Photosynthetic activity of perennial grass mixtures under pasture use of the herbage (average for 2016–2019)

Корреляционный и дисперсионный анализ связей r₁ (ЛП), r₂ (ЧПФ), r₃ (ФП) и r₄ (урожайность сухого вещества) показал, что они достоверны при обоих способах использования травостоя, существенно прямолинейны и характеризуются коэффициентами корреляции разной степени сопряженности: при сенокосном использовании r_1, 2 = 0,36; r_1, 3 = 0,72; r_1, 4 = 0,86; r_2, 3 = 0,21; r_2, 4 = 0,15; r_3, 4 = 0,84. При пастбищном двухукосном использовании травостоя коэффициент корреляции изученных связей выглядит следующим образом: r_1, 2 = 0,65; r_1, 3 = 0,92; r_1, 4 = 0,68; r_2, 3 = 0,15; r_2, 4 = 0,82; r_3, 4 = 0,96.

Установленные корреляционные зависимости между основными показателями фотосинтетической деятельности и урожайностью сухого вещества в посевах с разным видовым составом бобовых и злаковых трав получило основание для использования этих показателей при моделировании урожайности многолетних трав.

Уравнение регрессии для данной зависимости имеет следующий вид:

У = 0,024х₁ + 0,0874х₂ + 2,581х₃ + 0,0923,

где У – урожайность сухого вещества, т/га;

х₁ – площадь листовой поверхности (max) тыс. м²/га;

х₂ – чистая продуктивность фотосинтеза г м²/сутки;

х₃ – фотосинтетический потенциал млн м² дней/га.  

При сенокосном режиме использования травостоя мощность ФП и ЛП не коррелирует с показателями ЧПФ, в то время как при двух укосах пастбищного использования ЧПФ находится в прямой зависимости от ЛП и ФП.

Положительная линейная корреляция между сбором сухого вещества (r₄), способом использования травостоя (r₁) и степенью загущенности посевов (r₂) – r_1, 4 = 0,92; r_2, 4 = 0,52.

Методом шагово-регрессионного анализа было получено следующее уравнение для расчета урожая сухого вещества в зависимости от густоты стояния травостоя, вида культуры, способа использования:

У = 0,780х₁ + 0,0327х₂ + 0,177х₃ + 2,105,

где У – урожайность сухого вещества, т/га;

х₁ – способ использования;

х₂ – густота стояния;

х₃ – культура.

С целью всесторонней оценки продукционного процесса выращивания многолетних трав проведенными исследованиями было предусмотрено определение потенциала сбора сухого вещества, валовой, обменной энергии и произведенных прямых затрат в произведенных кормах при двух способах использования травостоя.

Расчеты, представленные в таблице 4, показали, что наиболее эффективным, с точки зрения энергоемкости, явился режим пастбищного использования травостоя.

Таблица 4

Агроэнергетическая эффективность выращивания многолетних трав при сенокосном и пастбищном использовании травостоя (в среднем за 2016-–2019 гг.)