ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТРАВОСТОЯ НА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЯХ ПАСТБИЩ РАЗЛИЧНОГО СЕЗОНА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Аннотация. Целью исследований является обоснование связи между показателем наибольшего прироста растений с конкретной нормой выпаса животных на пастбище. Необходимо решить задачи с интенсивностью выпаса, а также по полученным данным установить статистическую зависимость между параметрами логистического уравнения, описывающего среднестатистический рост растений в условиях естественного выпаса животных. Методы исследований. Закладка опытов была проведена на вегетационных площадках лизиметрического комплекса ФНЦ агроэкологии РАН с различными почвенными субстратами (Кумский песок, Бажиганский песок, черноземовидный супесчаный субстрат). Был проведен посев смесей поликомпонентных трав Ставропольской селекции для дальнейшего анализа роста и развития растений с учетом разного сезона использования. Результаты исследований. В статье приведено уравнение хода роста травостоя за вегетационный период, которое доказывает, что и после изъятия части фитомассы закон роста растений сохраняется по принципу сигмоидной кривой. Максимальная высота растений после имитации стравливания фитомассы зафиксирована на лизиметре № 6 и в среднем составила: с изъятием ⅓ – 121 см; ½ – 97 см; ⅔ – 61 см. Наименьшая средняя высота растений отмечена на лизиметре № 13 – 64 см. Наибольшая высота на этом лизиметре составила 110 см при ⅓ изъятии. Средний прирост на конец вегетационного периода растений по всем имитационным моделям распределился следующим образом: при изъятии 33 % – 73 %; 50 % – 53 %; 67 % – 31 %. Проведенные эксперименты установили, что изымать более ⅓ фитомассы растений не рекомендуется. Для стабильного восстановления травостоя деградированных пастбищ главную роль играет норма изъятия фитомассы, точнее норма выпаса, учитывается также стадия вегетации, на которой находится растение. Научная новизна. Установлена связь между параметрами роста растений, которая позволяет прогнозировать характеристики дальнейшего прироста, улучшить естественные деградированные травостои, установить очередность выпаса на разных участках в соответствии с видовым составом растений.

Ключевые слова:
травостой, пастбища, деградация, фитомасса, имитационные модели, имитация стравливания, уравнения хода роста.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Постановка проблемы (Introduction)

Привлечение внимания к генетическим ресурсам кормовых растений, создание генофонда с применением методов биотехнологии, получение исходного материала для организации высокопродуктивного аридного кормопроизводства – важнейшие задачи аридной науки [1, с. 271]. Деградация пастбищ в аридной зоне страны – это многоуровневая сложная экологическая и хозяйственная система, требующая многопланового подхода, особенно на территориях с почвенным субстратом легкого гранулометрического состава в районах, где дефляционная опасность очень высока [2, с. 69], [3, с. 10]. Особенно это относится к югу и юго-востоку Европейской части России, а это более 75 млн га территории, которая является кормовой базой традиционного пастбищного животноводства, основанного на свойстве их ежегодного самовозобновления, при эксплуатации, не превышающей определенного предела (отсутствие перевыпаса). Эти условия часто не соблюдаются и приводят к деградации пастбищ. Следует отметить, что для половины деградированных пастбищ сейчас негативные изменения приобрели практически необратимый характер. Поэтому без крупных вложений в антропогенную энергию самостоятельное их восстановление или невозможно, или для этого требуется очень длительный период заповедного режима. На сегодняшний день требуется разработать методы ускоренной фитомелиорации пастбищ с учетом свойств растительного покрова, его долговечности, засухоустойчивости, солеустойчивости, кормовой ценности, хорошей возобновляемости и почвозащищенности в ветроэрозионный период [4, с. 428]. Для эксплуатационных показателей пастбищ более важно знать объемные характеристики [5, с. 74]. Это касается и норм выпаса скота, и деградационных процессов на пастбищах. Динамика прироста растений напрямую зависит от почвенно-климатических условий и регулируемого объема изъятия фитомассы. Изъятие нужно проводить в период наиболее интенсивного прироста растений с учетом типа пастбища [6, c. 2], [7, с 410].

Методы исследований (Methods)

Для создания фоновой картины аридных пастбищных экосистем на основных полупустынных и пустынно-степных почвенных субстратах были созданы имитационные лизиметрические модели мелиорированных пастбищ для весенне-летнего, летнего и летне-осеннего использования [8, с. 28], [9, с. 58], [10, с. 31].

Закладка опытов была проведена в 2015 г. на вегетационных площадках лизиметрического комплекса ФНЦ агроэкологии РАН. Произвели посев смесей поликомпонентных кормовых трав. При подборе травосмесей сочетали злаковые, злаково-бобовые и злаково-полынно-бобовые травы Ставропольской селекции (пырея удлиненного и солончакового, костра безостого, житняка гребенчатого, овсяницы луговой, полыней белой, черной и песчаной, люцерны синей).

Виды травосмесей:

1. Весенне-летнее пастбище: житняк + пырей + костер (ж + пр + к).

2. Летнее пастбище: житняк + овсяница + люцерна (ж + о + л).

3. Летне-осеннее пастбище: житняк + полынь + люцерна (ж + пл + л).

Опыты были заложены на разных почвенных субстратах: Кумский песок, Бажиганский песок, черноземовидная супесчаная почва. Бажиганские пески мелкозернисто-пылеватые, полиминеральные, карбонатные, более влагоемкие. Пески Кумского массива мелкозернистые и по водно-физическим свойствам близки к Бажиганским пескам. Черноземоводная супесчаная почва – это супесь песчаная со значительным содержанием крупного и среднего песка. Во всех почвенных субстратах в верхнем слое содержание гумуса варьировалось от 0,216 до 1,439 %. На черноземовидных супесчаных почвах (лизиметр № 6) отмечается повышенное содержание гумуса 1,087–1,756 %. Лизиметры № 13, 15 – Бажиганский и Кумский пески – очень близки по содержанию гумуса – 0,016–0,478 %. Норма высева для трав Ставропольской селекции – из расчета 10 кг/га, для полыней – 6–8 кг/га, люцерны – 8–12 кг/га. Соотношение видов – 1:1:1 [11, с. 17], [12, с. 215], [13], [14, с. 14], [15, с. 275].

За период 2015–2019 гг. на субстратах в течение вегетации проводились уходы за посевами, изучался рост и состояние растений, определялись продолжительность вегетационного периода, время цветения, плодоношения. Первое скашивание трав проводилось для бобовых в фазу бутонизации, для злаковых – в фазу трубкования с последующим скашиванием через 10, 20 и 30 суток, а также в конце вегетации. Норма изъятия фитомассы позволила выявить закономерность ее отрастания в функции времени после ее стравливания. Разработка моделей прогноза продуктивности природных пастбищ при разных режимах выпаса осуществлялось при помощи агрофизических законов продуцирования растений (законы растениеводства и земледелия) и данных по их отрастанию полученных на вегетационных площадках при различной норме изъятия фитомассы [16, с. 121], [17, с. 8], [18].

Результаты исследований (Results)

Ранее мы уже применяли закон аллометрического роста, связав зависимость между высотой растений и объемными показателями травостоя [8, с. 27]. Объемные показатели в связи с высотой напрямую зависят от коэффициента покрытия травостоем поверхности и коэффициента оптической плотности растений. Исследования показали, что при изъятии части фитомассы растений в определенный период времени (искусственное стравливание) параметры травостоя по высоте и массе никогда не достигали тех величин, которые были в вариантах без изъятия части фитомассы. В более раннем исследовании приведены кривые хода роста травостоя за вегетационный период, которые свидетельствуют о том, что и после изъятия части фитомассы закон роста растений сохраняется (по принципу сигмоидной кривой) [8, с. 30]. Отметим, что интенсивность роста изменяется тем больше, чем больше изымается фитомассы.

Растения, как и все живые организмы, имеют биологический ритм роста. Чтобы придать выявленному закону теоретическое обрамление, были выведены уравнения хода роста растений, в которых появились дополнительные характеристики, требующие соответствующего описания.

Начнем с хода роста растений при разном изъятии фитомассы. Он, как показали эксперименты, может быть описан с помощью уравнения вида:

,                                            (1)

где ai, λi – средние значения коэффициентов при том или ином изъятии части фитомассы, зависящие от условий роста растений;

i – варианты изъятия фитомассы,

t – возраст растений;

Hm.i.o – максимальная высота растений после изъятия части фитомассы, см;

Ht. – высота растений возрасте t, (рис. 1, таблица 1).

Описание: C:\Users\Инженер\Desktop\Безымянный.jpg

Рис. 1. Связь между показателями ai и λi: ● – без изъятия фитомассы; ■ – изъятие ⅓ фитомассы; ○ – изъятие ½ фитомассы; – изъятие ⅔ фитомассы

Описание: C:\Users\Инженер\Desktop\Безымянный.jpg

 

Fig. 1. The relationship between indicators ai and λi: ● – without phytomass removal; ■ removal of ⅓ phytomass; ○ – removal of ½ phytomass; – removal of ⅔ phytomass

 

Таблица 1

Параметры, входящие в уравнение (1) хода роста растений по высоте при разном изъятии фитомассы

Без

изъятия

Изъятие

фитомассы

Изъятие

½ фитомассы

Изъятие

⅔ фитомассы

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

Лизиметр № 6

33

0,083

130

23

0,073

120

15

0,063

95

15

0,058

63

58

0,090

130

53

0,085

123

47

0,078

96

53

0,078

65

149

0,104

130

132

0,094

120

78

0,077

99

74

0,071

83

Лизиметр № 13

53

0,086

120

34

0,072

110

30

0,067

78

25

0,066

62

112

0,099

130

86

0,089

120

68

0,079

92

45

0,071

63

95

0,095

119

64

0,085

100

54

0,078

82

46

0,065

66

Лизиметр № 15

167

0,107

115

124

0,097

108

77

0,082

83

33

0,078

55

100

0,099

130

96

0,078

120

75

0,078

95

53

0,069

66

115

0,096

120

92

0,089

108

79

0,085

93

60

0,076

66

 

Table 1

The parameters included in equation (1) the movement of plant growth in height for different phytomass removal

Without phytomass removal

Removal

of phytomass

Removal

of ½ phytomass

Removal

of ⅔ phytomass

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

ai

λi

Hm.i.o

Lysimeter No. 6

33

0.083

130

23

0.073

120

15

0.063

95

15

0.058

63

58

0.090

130

53

0.085

123

47

0.078

96

33

0.078

55

149

0.104

130

132

0.094

120

78

0.077

99

53

0.069

66

Lysimeter No. 13

53

0.086

120

34

0.072

110

30

0.067

78

25

0.066

62

112

0.099

130

86

0.089

120

68

0.079

92

45

0.071

63

95

0.095

119

64

0.085

100

54

0.078

82

46

0.065

66

Lysimeter No. 15

167

0.107

115

124

0.097

108

77

0.082

83

53

0.078

65

100

0.099

130

96

0.078

120

75

0.078

95

60

0.076

66

115

0.096

120

92

0.089

108

79

0.085

93

74

0.071

83

                         

 

Приведенные в таблице данные говорят о том, что лучшие условия для роста растений были созданы на лизиметре № 6. В среднем величин Hm.i.o на участке без изъятия составляла 130 см, с изъятием ½ – 97 см. Лизиметр № 13 выдал наихудший результат, где без изъятия Hm.i.o в среднем составляла 123 см, с изъятием ½ – 84 см.

Что же касается связи между ai и λi, то она оказалась близкой к экспоненциальной с достаточно стабильным коэффициентом θ. Выразим ее следующим образом:

,                                                      (2)

где θ – коэффициент, который в среднем равен 49.

Зависимость (2) находилась из общефизических соображений, с использованием соответствующего гипотетического предположения дифференциальной связи и соответствующих граничных условий. Представим это следующим выражением:

.                                                   (3)

Вполне очевидно, что по ai всегда можно находить значение λi, используя обратную зависимость функции вида:

.                                                  (4)

Таким образом, чтобы проблема с определением коэффициентов ai и λi, была окончательно решена, рассчитав ai или λi. Исследования показали, что легче всего определить коэффициент α, он для вариантов без изъятия части фитомассы может быть найден из соотношения:

,                                                         (5)

где Hm.i.o – минимальная высота растений в начале вегетации, см.

Как видим, появляется новая составляющая Hmin, которая легко учитывается, зная фактический ход роста растительности, так как она связана с Hm.i.o. Для практических расчетов Hmin можно принять равным 1,5 см. Что же касается Hm.i.o, то она может быть найдена по формуле (6):

,                                         (6)

где qmax – максимальная фитомасса растений в конце вегетации в случае отсутствия изъятия определенной части фитомассы т/га;

Kоп – оптическая плотность травостоя (в опытах варьировалась от 0,04 до 0,34).

Все зависит от правильности задания параметров, заложенных в формулу (6). Изложенные материалы относятся к максимуму высоты и фитомассы, которая соответствует концу вегетации растений, причем без изъятия части фитомассы. Однако важно знать, каким образом эти параметры изменяются при изъятии части фитомассы. Иначе говоря, важно знать параметр Hm.i.o.

Чтобы сделать вывод о том, как влияет изъятие части фитомассы на дальнейший ход роста растений, мы проанализировали данные в безразмерной форме (таблица 2).

Таблица 2

Относительные значения параметров Hi, ai и λi при различных значениях изъятия части фитомассы (Δhск)

№ лизиметра

Параметры

Изъятие ⅓ фитомассы

Изъятие ½ фитомассы

Изъятие ⅔ фитомассы

6

0,93

0,83

0,91

0,74

0,60

0,79

0,47

0,46

0,71

13

0,89

0,72

0,88

0,68

0,58

0,81

0,52

0,45

0,70

15

0,92

0,84

0,92

0,76

0,63

0,80

0,59

0,63

0,71

 

Table 2

Relative values of the parameters Hi, ai и λi at various values of the removal of part of the phytomass (Δhgc)

No. of lysimeter

Parameters

Removal of ⅓ phytomass

Removal of ½ phytomass

Removal of ⅔ phytomass

6

0.93

0.83

0.91

0.74

0.60

0.79

0.47

0.46

0.71

13

0.89

0.72

0.88

0.68

0.58

0.81

0.52

0.45

0.70

15

0.92

0.84

0.92

0.76

0.63

0.80

0.59

0.63

0.71

Описание: C:\Users\Анастасия\Desktop\2.jpgОписание: C:\Users\Анастасия\Desktop\1.jpg

 

 

 

 

 

Риc. 2. Связь между: а) , б) и величиной изъятия части фитомассы: ■ – среднее по всем вариантам; – средние по культуре и лизиметру

Описание: C:\Users\Анастасия\Desktop\1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2. The relationship between a) , b) and the removal of part of the phytomass: ■ – average for all options; –average in culture and lysimeter

 

Как видно из таблицы 2 и рис. 2, нормированные величины параметров ai, λi и Hm.i.o для различных типов растительности и отдельных опытов варьируются в определенном промежутке и четко обозначают закономерности их связи с характеристиками  и . Выявлено, что на всех лизиметрах эти закономерности могут быть описаны однотипными уравнениями. По опытным данным были составлены следующие уравнения:

                                            (7)

где a0, λ0 – среднее значение показателей для вариантов без изъятия части фитомассы растений;

ai, λi – среднее значение показателей при определенном изъятии части фитомассы растений;

 – доля изъятия по высоте части фитомассы растений.

Если говорить о вариации этих нормированных показателей, то они с вероятностью 99 % лежат в пределах 7–25 % для  и 5–23 % для .

В таблице 3 представлены данные прироста растений при изъятии 33, 50 и 67 % фитомассы через определенные промежутки времени.

Таблица 3

Ход роста растений на лизиметре № 6 в зависимости от доли изъятия фитомассы, лизиметрический комплекс ФНЦ агроэкологии РАН

Сутки

Изъятие части фитомассы, см

33 %

50 %

67 %

40

41,7

33,3

22,3

60

86,7

61,7

40,0

80

115,0

86,0

53,3

 

Table 3

Plant growth movement on lysimeter No. 6 with different parts of phytomass removal, lysimetric complex FSC of Agroecology RAS

Days

Removing part of the phytomass, cm

33 %

50 %

67 %

40

41.7

33.3

22.3

60

86.7

61.7

40.0

80

115.0

86.0

53.3

 

По полученным данным из таблицы 3 видно, что с увеличением изымаемой фитомассы прирост растений ниже, причем этот прирост бывает тем меньше, чем больше объем изъятия. Средний прирост на конец вегетационного периода растений составил при изъятии 33 % – 73 %; 50 % – 53 %; 67 % – 31 %. Из этого следует, что для восстановления травостоя деградированных пастбищ необходимо точно рассчитывать норму изъятия фитомассы, точнее норму выпаса. Вместе с тем не стоит забывать, что интенсивность отрастания растений после изъятия меняется в зависимости от времени, т. е. нужно учитывать, на какой стадии вегетации находится растение.

Обсуждения и выводы (Discussion and Conclusion)

Связь между параметрами роста растений а и λ позволяет определенным образом прогнозировать дальнейшее поведение роста растений и рациональную норму ее отчуждения при естественном стравливании на песчаных землях аридной зоны. В среднем максимальная высота растений после имитации стравливания фитомассы зафиксирована на лизиметре № 6: с изъятием ⅓ – 121 см; ½ – 97 см; ⅔ – 61 см. Наименьшая средняя высота растений отмечена на лизиметре № 13 – 64 см. Наибольшая высота на этом лизиметре составила 110 см при ⅓ изъятии.

Установлено, что и после изъятия части фитомассы закон роста растений сохраняется по принципу сигмоидной кривой. Отметим, что интенсивность роста изменяется тем больше, чем больше изымается фитомассы. Средний прирост на конец вегетационного периода растений распределился следующим образом: при изъятии 33 % – 73 %; 50 % – 53 %; 67 % – 31 %. Проведенные эксперименты показали, что изымать более ⅓ фитомассы растений не рекомендуется. Изъятие должно проходить в период интенсивного роста растений (ближе к середине вегетационного периода), что связано с биометрическими ритмами растений.

Для стабильного восстановления травостоя деградированных пастбищ главную роль занимает норма изъятия фитомассы, точнее норма выпаса, с учетом стадии вегетации, на которой находится растение.

Список литературы

1. Шамсутдинов З. Ш., Косолапов В. М., Шамсутдинова Э. З., Благоразумова М. В., Шамсутдинов Н. З. О концепции экологической ниши и ее роли в практике конструирования адаптивных аридных пастбищных агроэкосистем // Сельскохозяйственная биология. 2018. Т. 53. № 2. С. 270-281. DOI:https://doi.org/10.15389/agrobiology.2018.2.270rus.

2. Зволинский В. П., Федорова В. А., Мухортова Т. В., Власенко М. В., Турко С. Ю. Технология создания устойчивых кормовых фитоценозов в условиях орошения северо-западного Прикаспия // Адаптивное кормопроизводство. 2016. № 1. С. 68-75.

3. Лапенко Н. Г., Оганян Л. Р. Присельские пастбища - важная кормовая база для животных индивидуального сектора // Аграрный вестник Урала. 2019. № 11. (190). С. 9-17. DOIhttps://doi.org/10.32417/article_5dcd861e318036.10746233.

4. Васильев Ю. И. К вопросу о логистической модели формирования сухой фитомассы сельскохозяйственных растений // Защитное лесоразведение, мелиорация земель, проблемы агроэкологии и земледелия в Российской Федерации: сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию создания Всероссийского научно-исследовательского агролесомелиоративного института. Волгоград, 2016. С. 426-430.

5. Казьмин В. Д., Абатуров Б. Д., Джапова Р. Р., Аюшева Е. Ч., Джапова В. В., Нохаева Д. В., Миноранский В. А., Медянников И. Н. Показатели пастбищной экологии Equus ferus przewalskii (Equidae) в степях долины западного Маныча (юго-восток Ростовской области, Россия) // Nature Conservation Research. Заповедная наука. 2019. Т. 4. No. S2. С. 72-77. DOI:https://doi.org/10.24189/ncr.2019.022.

6. Watanabe T., Shirasaka S. Pastoral practices and common use of pastureland: the case of Karakul, north-eastern Tajik Pamirs // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2018. Т. 15. No. 12. 2725. Pp. 1-18 DOI:https://doi.org/10.3390/ijerph15122725.

7. Morales A., Godoy M., Beltrán I, Muller A. Changes in herbage mass and time of herbage allocation modify nutritional and metabolic status of dairy cows // Chilean journal of agricultural research. 2018. Vol. 78 (3). Pp. 409-418. DOI:https://doi.org/10.4067/S0718-58392018000300409.

8. Турко С. Ю., Трубакова К. Ю. Рост и развитие растений на пастбищах аридной зоны и вопрос их эксплуатации (на примере искусственно созданных моделей) // Аграрный вестник Урала. 2019. № 4 (183). С. 27-34. DOI:https://doi.org/10.32417/article_5cf950fe6812b9.37149947.

9. Турко С. Ю., Вдовенко А. В., Трубакова К. Ю. Имитационные модели мелиорированных пастбищ на различных почвах в условиях сухой степи и полупустыни // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2017. № 3 (67). С. 57-62.

10. Турко С. Ю., Трубакова К. Ю. Математическое моделирование в оптимизации использования пастбищ // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (42). С. 30-34.

11. Власенко М. В. Видовое разнообразие и устойчивость фитоценозов песчаных пастбищ Ростовской области // Аграрная Россия. 2019. № 3. С. 17-21. DOI:https://doi.org/10.30906/1999-5636-2019-3-17-21.

12. Гасанов Г. Н., Салихов Ш. К., Гаджиев К. М., Маллалиев М. М., Шайхалова Ж. О., Гимбатова К. Б. Видовой состав и продуктивность луговых фитоценозов горы маяк (Гунибское плато, республика Дагестан) // Растительные ресурсы. 2016. № 52 (2). С. 214-224.

13. Лапенко Н. Г., Дудченко Л. В. Восстановление природной растительности с использованием ресурсосберегающей технологии создания травостоев сенокосно-пастбищного использования в условиях Cтавропольского края: практические рекомендации. Ставрополь, 2019. 22 с.

14. Лапенко Н. Г., Ерошенко Ф. В., Сторчак И. Г. Растительность степных фитоценозов и особенности ее вегетации в условиях Ставропольского края // Аграрный вестник Урала. 2020. № 2 (193). С. 9-19. DOI:https://doi.org/10.32417/1997-4868-2020-193-2-9-19.

15. Vlasenko M. V., Kulik A. K., Salugin A. N. Evaluation of the ecological status and loss of productivity of arid pasture ecosystems of the Sarpa lowland // Arid Ecosystems. 2019. Т. 9. No. 4. Pp. 273-281.

16. Суслов С. А. Законы растениеводства и земледелия // Вестник НГИЭИ. 2012. № 1 (8). С. 119-130.

17. Кулик К. Н., Салугин А. Н. Моделирование дефляции аридных пастбищ с помощью марковских цепей // Экосистемы: экология и динамика. 2017. № 1 (4). С. 5-22.

18. France J., Thornley J. H. M. Mathematical Models in Agriculture // The Quarterly Review of Biology. 1985. Vol. 60. No. 1. Pp. 135-136. DOI:https://doi.org/10.1086/414311.

Войти или Создать
* Забыли пароль?