ОПТИМИЗАЦИЯ СООТНОШЕНИЯ ЛУГОВЫХ ЗЛАКОВ В ТРЕХКОМПОНЕНТНОМ ФИТОЦЕНОЗЕ Костюк В.И.

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина Кольский научный центр Российской академии наук


Номер: 5-3
Год: 2017
Страницы: 21-24
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

луговые злаки, урожайность, статистический анализ и моделирование, meadow cereals, productivity, statistical analysis and modeling

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В условиях многофакторного полевого эксперимента изучено влияние различных норм высева семян злаковых трав на их интегральную урожайность. С помощью современных методов статистической оптимизации подобрана рациональная весовая структура трехкомпонентной злаковой травосмеси, наиболее подходящая для условий Кольского Севера.

Текст научной статьи

Введение В Мурманской области при создании кормовых угодий с.-х. назначения нередко используются трехкомпонентные злаковые травосмеси, в состав которых входят верховые, полуверховые и низовые злаки. Достаточно часто применяется комбинация из лисохвоста лугового, овсяницы луговой и овсяницы красной, позволяющая создавать фитоценоз среднего долголетия (5-7 лет хозяйственного пользования). Лисохвост луговой в такой травосмеси обладает не очень высокой конкурентоспособностью. Это стимулирует проблему поиска и использования более жизнеспособного аналога. В рекогносцировочных полевых опытах нами было установлено, что данный вид с успехом может быть замещен лисохвостом тростниковым местного происхождения (Терское побережье Белого моря), который отличается хорошей адаптацией к холодному гумидному климату Кольского полуострова. По кормовым качествам он не уступает лисохвосту луговому, а по зимостойкости, экологической пластичности и биологической продуктивности превосходит его [1]. К тому же, лисохвост тростниковый не очень требователен к почвам, что позволяет считать его перспективным для лугопастбищного травосеяния в северных регионах. Поскольку особенности конкурентного поведения этого экотипа в условиях агрофитоценоза были совершенно неизвестны, то изучение данного вопроса и послужило основной целью представленной работы. Методика исследования Трехфакторный полевой эксперимент проводили в течение 5 лет (1998-2002 гг.) по схеме 13-вариантного плана Бокса-Бенкина в трехкратной повторности с полной рандомизацией расположения вариантов [2]. Испытывали следующие нормы высева семян в травосмеси (при 100%-й всхожести): лисохвост тростниковый (ЛТ): 0-20-40 кг/га; овсяница луговая (ОЛ), сорт Хибинская-806: 0-15-30 кг/га; овсяница красная (ОК), сорт Московская-121: 0-10-20 кг/га. Важным достоинством этого плана эксперимента является то, что несмотря на свою компактность, он дает возможность изучать как чистые (моновидовые) посевы трав, так и различные их сочетания (парные и тройные) в широком диапазоне изменений норм высева семян. Исходная агрохимическая характеристика опытного участка, который располагался на хорошо окультуренной подзолистой песчаной почве, была следующей: рН (солевое) - 5.6-6.1; содержание щелочногидролизуемого азота (по Корнфилду) -129-153 мг/кг; содержание подвижного фосфора и обменного калия (по Кирсанову) - 34-38 и 15-19 мг/100 г соответственно [3, 4]. Травы высевали рядовым способом с последующим прикатыванием почвы катком. Перед посевом в пахотный слой почвы вносили торфокомпост (80 т/га) и минеральные удобрения (нитроаммофоску) из расчета N100P100K100 кг д.в./га. В последующие годы сразу после появления всходов трав вносили азофоску в количестве N60Р60K60 кг д.в./га. В качестве основного результативного признака рассматривали выход урожая зеленой массы (фитомассы) злаковых трав с единицы площади лугового агрофитоценоза (УР, кг/м2). Общий размер учетной площади в каждом варианте опыта составлял 6 м2. Учеты урожая проводили в период сенокосной спелости травостоя. Статистический анализ экспериментальных данных выполняли с использованием программ Microsoft Excel 2013 и STATISTICA 10 [5]. Результаты исследования и их обсуждение Матрица планирования эксперимента и исходные экспериментальные данные, отражающие характер влияния различных норм высева семян на общую урожайность луговых злаков в составе трехкомпонентного агрофитоценоза, представлены в таблице. На основе регрессионного анализа этих данных нами построена следующая полиномиальная модель выхода общей фитомассы злаковых трав с единицы площади агроценоза в зависимости от норм их высева. Она включает в свою структуру объясняющие переменные в стандартизованном виде - это дает возможность визуально сравнивать силу влияния каждого из факторов на функцию отклика: УР (кг/м2) = 1.35ЛТ - 0.83ЛТ2 + 0.11ОК - 0.30ОК2 + 1.93ОЛ - 0.98ОЛ2 + + 0.14ЛТ•ОК - 0.30ЛТ•ОЛ + 0.03ОК• ОЛ. (R2 = 99.8%; Fрасч. (9; 3) = 135.8 > F0.95 = 8.8; Р < 0.001), где R2 - коэффициент множественной детерминации уравнения; F - статистика Фишера для оценки адекватности уравнения; Р - уровень статистической значимости уравнения. Статистические оценки "качества" приведенной модели являются достаточно высокими, что позволяет вполне обоснованно применять ее для решения различных интерполяционных и оптимизационных задач. Матрица планирования и первичные результаты эксперимента Вариант опыта Виды трав Выход фитомассы, кг/м2 ЛТ ОК ОЛ Норма высева, кг/га 1 0 0 15 3.38 2 40 0 15 3.90 3 0 20 15 3.18 4 40 20 15 3.97 5 0 10 0 2.24 6 40 10 0 3.23 7 0 10 30 3.80 8 40 10 30 4.22 9 20 0 0 3.06 10 20 20 0 2.88 11 20 0 30 4.20 12 20 20 30 4.08 13 20 10 15 4.01 Примечание. Выход фитомассы (кг/м2) - это усредненная за три последних года исследований (2000-2002 гг.) урожайность многолетних трав. Рассмотрим кратко спецификацию данного уравнения. Обращает на себя внимание доминирующая роль овсяницы луговой (полуверховой рыхлокустовой злак) в формировании общего урожая трав. Лисохвост тростниковый (верховой корневищный злак) занял в ряду предикторов вторую позицию и конкурировал в основном с овсяницей луговой. Это видно из структуры вышеприведенного уравнения, в котором парное взаимодействие данных видов оказалось отрицательным по своей направленности и наибольшим по абсолютной величине. На последней позиции по величине индивидуального вклада в продуктивность агрофитоценоза оказалась овсяница красная (низовой корневищно-рыхлокустовой злак). Однако надо заметить, что в полностью сформировавшемся фитоценозе с устойчивыми топическими связями овсяница красная выполняла важную биологическую роль буферного компонента, поддерживающего синэкологическую стабильность и продуктивное долголетие искусственного сообщества. Поиск наилучшего сочетания норм высева семян злаковых трав (с целью достижения максимальной продуктивности агрофитоценоза) является сложной многофакторной задачей, в результате анализа и решения которой "на выходе" генерируется целый спектр приемлемых по агрономическим критериям технологических альтернатив. Окончательный выбор лучшей из них остается за специалистом-экспертом по кормопроизводству. С целью подбора наиболее рационального сочетания норм высева семян злаковых трав мы использовали стандартные средства анализа в электронной таблице Microsoft Excel - инструмент "Подбор параметра" и надстройку "Поиск решения" с подключением опции "Несколько начальных точек". Анализ вышеприведенной полиномиальной модели (но записанной в натуральных переменных) выполняли в надстройке "Поиск решения" с использованием метода обобщенного понижающего градиента (ОПГ), применяемого для гладких нелинейных задач. Задаваемые ограничения для норм высева семян - диапазон их реальных изменений (min-max) в полевом опыте. Критерий оптимизации - урожайность трав, усредненная за последние три года (2000-2002 гг.) исследований. В результате проведения серии модельных вычислений было установлено, что максимальная продуктивность лугового агрофитоценоза (4.32 кг/м2) достигается при использовании следующих норм высева трав: ЛТ - 27.6, ОК - 9.2 и ОЛ - 27.0 кг/га. Таким образом, наиболее благоприятное соотношение перечисленных компонентов в фитоценозе (по исходным нормам высева семян) должно составлять приблизительно 3:1:3 (ЛТ:ОК:ОЛ). Однако суммарная норма расхода семян для создания высокопродуктивного фитоценоза (≈ 64 кг/га), полученная аналитическим путем, с хозяйственно-экономической точки зрения является избыточной. По нашему мнению, она безболезненно может быть уменьшена до 30-35 кг/га, что удовлетворяет нормативам практического луговедения и экспериментальной фитоценологии [6, 7]. Соответствующие расчеты показали, что при использовании предложенного соотношения 3:1:3 и при суммарной норме высева семян трав порядка 35 кг/га (ЛТ - 15, ОК - 5, ОЛ - 15 кг/га) снижение выхода общей фитомассы с единицы площади лугового агроценоза является незначительным - 3.91 кг/м2, а экономия семенного материала - весьма существенной, что указывает на целесообразность практического применения подобранной комбинации трав. Более детальные расчеты в окрестностях квазиоптимального статистического решения показали, что при данной норме высева семян трав (35 кг/га) их наилучшая весовая пропорция имеет следующий вид: ЛТ - 13, ОК - 5, ОЛ - 17 кг/га. Урожайность трав при этом сочетании достигает 3.95 кг/м2, что вполне приемлемо с практической точки зрения. Необходимо затронуть также геоботанический аспект данной проблемы. Известно, что луговые растения характеризуются вторичным типом эколого-фитоценотической стратегии CRS (по классификации Раменского-Грайма) и сочетают в своем поведении черты виолента (С), патиента (S) и эксплерента (R), которые у разных видов обычно представлены в разном соотношении [8]. В соответствии с данной классификацией доминирующие черты поведения изученных нами видов растений можно обозначить (с известной долей условности) следующим образом. Для ОЛ в условиях модельного агрофитоценоза была характерна преимущественно R - стратегия жизненного поведения, для ОК - S-стратегия, а для ЛТ - RS-стратегия. Смешанная жизненная стратегия ЛТ позволяет отнести его к числу видов с относительно широкой реализованной экологической нишей, что подчеркивает его перспективность для создания устойчивых злаковых агрофитоценозов в экстремальных почвенно-климатических условиях Заполярья. Таким образом, лисохвост тростниковый, обладающий хорошей конкурентной мощностью и экотопической толерантностью, может вполне обоснованно вводиться в состав травосмесей для создания среднесрочных (5-7 лет пользования) луговых фитоценозов.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.