Энергетический потенциал долголетних пастбищных агроэкосистем

УДК 633.203:631.45

Энергетический потенциал долголетних пастбищных агроэкосистем

Привалова К. Н., доктор сельскохозяйственных наук

Каримов Р. Р., кандидат сельскохозяйственных наук

Алтунин Д. А., кандидат сельскохозяйственных наук

ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса»

141055, Россия, Московская обл., г. Лобня, Научный городок, корп. 1

E-mail: vik_lugovod@bk.ru

В ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса» проводятся длительные опыты, заложенные М. С. Афанасьевой и П. И. Ромашовым в 1946 году на суходоле временно избыточного увлажнения с дерново-подзолистой суглинистой почвой. В статье дана количественная оценка суммарного производства валовой энергии на долголетних пастбищных экосистемах на основе нового метода энергетической оценки луговых агроэкосистем. Приведены конкретные энергетические показатели по накоплению валовой энергии и распределению её в надземной и подземной массе и изменению энергоёмкости плодородия почвы. Новизна использованной методики заключается в том, что впервые оценка пастбищных агроэкосистем проведена на основе баланса поступления и расхода валовой энергии, позволяющей обосновать роль антропогенных затрат и природных факторов и их взаимодействие. При долголетнем (свыше 70 лет) использовании пастбищных экосистем с неудобряемыми фитоценозами суммарное воспроизводство валовой энергии может достигать 3,6 тыс. ГДж/га, а на фоне полного минерального удобрения — 9,4–11,1 тыс. ГДж/га. В структуре накопления валовой энергии основная доля (80–93%) приходится на надземную массу фитоценозов, суммарная энергоёмкость подземной массы и плодородия почвы составила только 7–20% в результате снижения темпов продуцирования подземной массы после второго десятилетия жизни травостоев. Совокупные антропогенные затраты на производство валовой энергии возрастали по сравнению с техногенной системой (без удобрений) в 2,1–3,5 раза в результате увеличения доз минеральных удобрений и на 33–76% — в интегрированной и техногенно-органических системах. Однако окупаемость их за счёт увеличения производства валовой энергии составляла 5,2–6,7 раза при внесении полной смеси удобрений, при внесении PK — 9,9 раза, при внесении навоза — 6,0–6,8 раза. Это объясняется значительным повышением энергоёмкости природных факторов и мобилизации их в продукционный процесс. Мобилизация природных факторов в дополнительное накопление валовой энергии пастбищными агробиогеоценозами соответствует, с учётом энергетического эквивалента на дизельное топливо 52,7 МДж/кг, 1,7 т/га в год при интегрированной системе, 2,0–2,4 т/га — при техногенно-минеральных и 1,2–1,3 т/га — при техногенно-органических системах.

Ключевые слова: пастбищные экосистемы, фитоценоз, валовая энергия, антропогенные и природные факторы.

Интенсификация сельского хозяйства связана с увеличением невозобновляемых энергозатрат. В луговом кормопроизводстве благодаря многостороннему включению в продукционный процесс природных источников энергии невозобновляемые ресурсы используются наиболее эффективно, что отвечает современным требованиям низкозатратности и энергосбережения (Жученко, 1994; Кутузова, 2014). Важным способом снижения расхода невозобновляемых ресурсов в луговодстве является создание и использование долголетних сенокосов и пастбищ (Трофимова, Кулаков, 2012; Привалова, 2018).

Среди наземных экосистем мира, занимающих площадь 135×10⁶ км², лугопастбищным экосистемам отводится первое место — 42×10⁶ км², а по ежегодному накоплению общей валовой продукции в биосфере — 10,5×10¹⁶ ккал — второе место после влажных тропических и субтропических лесов (Одум, 1975; Косолапов, Трофимов, Трофимова, Яковлева, 2011). По производству общей валовой продукции лугопастбищные экосистемы на 35% превышают экосистемы возделываемых земель.

Целью настоящей работы является обоснование энергетического продукционного потенциала долголетних пастбищных агроэкосистем — оценка производства суммарной валовой энергии за счёт различных источников. Целесообразность создания долголетних фитоценозов и актуальность сохранения их продуктивного долголетия обусловлена в первую очередь экономической задачей по снижению капитальных вложений по сравнению с краткосрочным использованием, а также необходимостью более быстрого увеличения площадей улучшенных луговых угодий (Тебердиев, Привалова, Родионова, 2018).

Методика исследований. Во Всероссийском научно-исследовательском институте кормов им. В. Р. Вильямса (ныне ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса») проводятся длительные опыты, заложенные М. С. Афанасьевой и П. И. Ромашовым в 1946 году на суходоле временно избыточного увлажнения с дерново-подзолистой суглинистой почвой. Перед посевом трав в слое почвы 0–20 см содержалось 2,03% гумуса, 60 мг/кг подвижного фосфора, 70 мг/кг обменного калия. Залужение проведено рекомендуемой в тот период травосмесью в составе тимофеевки луговой, овсяницы луговой, лисохвоста лугового, костреца безостого, мятлика лугового, клеверов лугового и ползучего.

Режим использования — имитация выпаса (три цикла за сезон в фазу начала выхода в трубку злаковых трав). Площадь делянки — 104 м². Учёты и наблюдения проводили по общепринятым в луговодстве и земледелии методикам. Определение производства валовой энергии (ВЭ) проводили в соответствии с новым методом оценки потоков энергии в луговых агроэкосистемах (Кутузова, Трофимова, Проворная, 2011; Кутузова, Трофимова, Проворная, 2015).

Результаты исследований. В статье изложены результаты исследований за 43 года (1976–2018 годы) по производству валовой энергии в надземной, подземной массе (корнях) и изменению плодородия почвы.

Формирование травостоев зависит не только от состава высеваемых травосмесей, но в значительной степени — от уровня их питания (сочетания и доз удобрений). Одинаковый в исходном состоянии травостой под влиянием природных и антропогенных факторов значительно изменился. В зависимости от системы ведения пастбища с различными уровнями удобрений общее число видов трав увеличилось с 14 до 31, наибольшее число видов отмечено в вариантах без удобрений, наименьшее — на фоне N₁₈₀P₄₅K₁₂₀ (Кулаков, Алтунин, 2015).

Долголетнее применение различных систем ведения пастбищ приводит к сукцессионной изменчивости фитоценозов: регрессионной — на неудобряемых травостоях, прогрессивной — при внесении полного минерального удобрения. Под влиянием регрессионных сукцессий создаваемый травостой с преобладанием верховых злаков и бобовых трав переформировался в разнотравно-низовозлаковый низкого кормового достоинства. При техногенно-минеральной системе на фоне полного минерального удобрения (N_60–180P₄₅K_90–120) содержание ценных видов в травостоях 73-го года жизни (2018 год) сохранилось на уровне 40–58%, при органической системе — на уровне 36–45%.

В табл. 1 приведены количественные показатели энергетического потенциала агроэкосистем долголетних пастбищ по суммарному накоплению валовой энергии и распределению её по элементам системы. Увеличение урожайности травостоев при всех изучаемых пастбищных системах по сравнению с контролем (техногенной системой без внесения удобрений) способствовало повышению их энергетического потенциала.

Урожайность долголетних фитоценозов в зависимости от системы ведения пастбищ с соответствующими уровнями удобрений изменялась в

1. Производство валовой энергии при использовании долголетних пастбищных агроэкосистем (1976–2018 гг.)

Примечание: * — контроль.

широких пределах — от 2,2 до 7,4 т/га СВ в среднем за последние 43 года пользования.

При этом отмечена общая закономерность для всех агроэкосистем: значительно большее содержание валовой энергии в надземной массе (80–93%) по сравнению с энергоёмкостью подземной массы (5–14%) и плодородия почвы (3–6%). Применение интегрированной системы ведения пастбищ на фоне P₄₅K₉₀ способствовало увеличению суммарного накопления валовой энергии в агроэкосистеме в 2 раза по сравнению с контролем, применение техногенно-минеральной пастбищной системы на фоне N₁₂₀PK — в 2,6 раза. Максимальное производство валовой энергии как суммарной (138–152 ГДж/га), так и в надземной массе (126–141 ГДж/га) отмечено в агроэкосистеме при интенсивном ведении пастбища в условиях ежегодной подкормки полным минеральным удобрением в дозах N₁₈₀P₄₅K_90–120, способствующей увеличению урожайности травостоев по сравнению с контролем в 3,1–3,4 раза. При этом доля валовой энергии в подземной массе снизилась с 14 до 6%, в изменении плодородия почвы — с 6 до 3%. Долголетнее функционирование пастбищных агроэкосистем способствует воспроизводству почвенного плодородия благодаря

дерново-образовательному процессу. Энергетический потенциал почвенного плодородия при техногенной системе на неудобренном пастбище за 70 лет вырос по сравнению с исходным состоянием на 220 ГДж/га, при техногенно-минеральной и техногенно-органической системах — увеличился в 1,4–1,5 раза. В табл. 2 показана агроэнергетическая эффективность антропогенных затрат и роль природных факторов в долголетних пастбищных агроэкосистемах. В структуре производства валовой энергии в агроэкосистемах основная доля (81–90%) приходится на природные факторы. Использование природных факторов увеличивается за счёт повышения интенсификации агроэкосистем — усиления антропогенной нагрузки. Мобилизация природного фактора в накопление валовой энергии по сравнению с контролем возрастает под влиянием антропогенных затрат в 2,1 раза при функционировании интегрированной системы, в 2,6–3,0 — техногенно-минеральных систем и в 1,4–1,6 раза — техногенно-органических систем. Этим объясняется высокая окупаемость антропогенных затрат (АК) производством ВЭ, наиболее значительная — 9,9 раза — при использовании интегрированной пастбищной системы на фоне РК без внесения азотных удобрений. За счёт природных возобновляемых факторов даже в техногенно-минеральных системах ведения пастбища при высоких затратах энергии на минеральные удобрения на 1 ГДж антропогенной энергии можно дополнительно получить 4,2–5,7 ГДж.

2. Взаимодействие антропогенных и природных факторов при производстве валовой энергии в долголетних пастбищных агроэкосистемах

Примечание: * — контроль.

Заключение. Впервые на основе нового метода энергетической оценки луговых агроэкосистем дана количественная оценка суммарного производства валовой энергии при долголетнем (73 года жизни) использовании пастбищ. Системный подход к оценке пастбищных агроэкосистем с учётом показателей производства валовой энергии в надземной, подземной массе и изменения плодородия почвы позволил обосновать их определяющую роль в восстановлении общих запасов энергии в биосфере. В структуре производства валовой энергии в агроэкосистемах 81–90% приходится на природные факторы. Экспериментально обосновано повышение производства валовой энергии за счёт увеличения мобилизации природных факторов при применении техногенно-минеральных пастбищных систем в 2,6–3,0 раза (с 50 до 130–152 ГДж/га в среднем за 43 года), техногенно-органических систем — в 1,4–1,6 раз (с 50 до 72–80 ГДж/га). В результате этого достигается высокая окупаемость антропогенных затрат — 4,2–8,9 ГДж/га на 1 ГДж. Результаты исследований по обоснованию энергетического потенциала пастбищных агроэкосистем с долголетними фитоценозами подтверждают гипотезу крупнейшего эколога США Ю. Одума о важной роли луговых агробиогеоценозов в производстве валовой энергии, их способности поддерживать положительный баланс энергии в современных биосферных процессах на Земле. Это экспериментально обосновывает необходимость укрепления и развития лугового кормопроизводства в стране с учётом социально-экономического развития при ограниченности средств и материальных ресурсов.

Литература

1. Жученко А. А. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства / А. А. Жученко. — Пущино, 1994. — 148 с.

2. Кутузова А. А. Методология и практическое значение производства валовой энергии луговыми агробиогеоценозами / Всероссийский научно-исследовательский институт кормов им. В. Р. Вильямса на службе российской науке и практике. — Москва, 2014. — С.272–281.

3. Трофимова Л. С. Управление травяными экосистемами из многолетних трав / Л. С. Трофимова, В. А. Кулаков // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2012. — № 4. — С.67–69.

4. Привалова К. Н. Продуктивность разновозрастных пастбищных травостоев и их влияние на почвенную среду / К. Н. Привалова // Материалы координационного совещания научных учреждений – участников Географической сети опытов с удобрениями «Итоги выполнения программы фундаментальных научных исследований государственных академий на 2013–2020 годы». — Москва, 2018. — С.230–234.

5. Одум Ю. Основы экологии / Ю. Одум, пер. с англ. — 3-е изд. — Мир, 1975. — С.52–113.

6. Лугопастбищные экосистемы в биосфере и сельском хозяйстве России / В. М. Косолапов, И. А. Трофимов, Л. С. Трофимова, Е. П. Яковлева // Кормопроизводство. — 2011. — № 3. — С.5–8.

7. Тебердиев Д. М. Роль луговых агроэкосистем в воспроизводстве валовой энергии в биосфере / Д. М. Тебердиев, К. Н. Привалова, А. В. Родионова // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования в области естественных и сельскохозяйственных наук». — Северо-Казахстанский ГУ им. академика Манаша Козыбаева, 2018. — С.237–239.

8. Кутузова А. А. Новый метод энергетической оценки луговых агроэкосистем / А. А. Кутузова, Л. С. Трофимова, Е. Е. Проворная // Программа и методика проведения научных исследований по луговодству на 2011–2015 годы. — Москва, 2011. — С.128–163.

9. Кутузова А. А. Методика оценки потоков энергии в луговых агроэкосистемах / А. А. Кутузова, Л. С. Трофимова, Е. Е. Проворная. — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Угрешская типография, 2015. — 52 с.

10. Кулаков В. А. Влияние удобрений на флористический состав, качество корма и продуктивность долголетних пастбищ / В. А. Кулаков, Д. А. Алтунин // Многофункциональное адаптивное кормопроизводство: сборник научных трудов. Вып. 7(55). — Москва, 2015. — С.12–18.

Energy resources of long-term pasture ecosystems

Privalova K. N., Dr. Agr. Sc.

Karimov R. R., PhD Agr. Sc.

Altunin D. A., PhD Agr. Sc.

Federal Williams Research Center of Fodder Production and Agroecology

141055, Russia, the Moscow region, Lobnya, Science Town, 1

E-mail: vik_lugovod@bk.ru

Long-term experiment started in 1946. The article presents the data on gross energy productivity determined by the new method of grassland evaluation as well as its accumulation and distribution in tops, roots and soil. For the first time energy income and consumption were used to characterize the effect of anthropogenic and natural factors on ecosystems. Long-term (over 70 years) crop cultivation under no fertilization provided 3.6 thousand GJ ha^-1 of energy, on the background of NPK — 9.4–11.1 thousand GJ ha^-1. Energy mainly accumulated in tops (80–93%) while roots and soil contained only 7–20% of energy due to the decreased rate in underground mass production after 20 years. Total anthropogenic costs increased by 2.1–3.5 times compared to the natural background as fertilizer rate rose, and by 33–76% — in integrated and organic systems. But due to the increase in energy production their payback improved by 5.2–6.7 times under NPK application, 9.9 times — on the background of PK and 6.0–6.8 times — when using manure. Transformation of natural factors into the additional gross energy content corresponded to 1.7 t ha^-1 per year for the integrated system, 2.0–2.4 t ha^-1 — for the mineral system and 1.2–1.3 t ha^-1 — for the organic system.

Keywords: pasture, ecosystem, phytocenosis, gross energy, anthropogenic, natural factor.

References

1. Zhuchenko A. A. Strategiya adaptivnoy intensifikatsii selskogo khozyaystva / A. A. Zhuchenko. — Pushchino, 1994. — 148 p.

2. Kutuzova A. A. Metodologiya i prakticheskoe znachenie proizvodstva valovoy energii lugovymi agrobiogeotsenozami / Vserossiyskiy nauchno-issledovatelskiy institut kormov im. V. R. Wilyamsa na sluzhbe rossiyskoy nauke i praktike. — Moscow, 2014. — P.272–281.

3. Trofimova L. S. Upravlenie travyanymi ekosistemami iz mnogoletnikh trav / L. S. Trofimova, V. A. Kulakov // Vestnik Rossiyskoy akademii selskokhozyaystvennykh nauk. — 2012. — No. 4. — P.67–69.

4. Privalova K. N. Produktivnost raznovozrastnykh pastbishchnykh travostoev i ikh vliyanie na pochvennuyu sredu / K. N. Privalova // Materialy koordinatsionnogo soveshchaniya nauchnykh uchrezhdeniy – uchastnikov Geograficheskoy seti opytov s udobreniyami “Itogi vypolneniya programmy fundamentalnykh nauchnykh issledovaniy gosudarstvennykh akademiy na 2013–2020 gody”. — Moscow, 2018. — P.230–234.

5. Odum Yu. Osnovy ekologii / Yu. Odum, per. s angl. — 3^rd ed. — Mir, 1975. — P.52–113.

6. Lugopastbishchnye ekosistemy v biosfere i selskom khozyaystve Rossii / V. M. Kosolapov, I. A. Trofimov, L. S. Trofimova, E. P. Yakovleva // Kormoproizvodstvo. — 2011. — No. 3. — P.5–8.

7. Teberdiev D. M. Rol lugovykh agroekosistem v vosproizvodstve valovoy energii v biosfere / D. M. Teberdiev, K. N. Privalova, A. V. Rodionova // Materialy VI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Aktualnye problemy nauki i obrazovaniya v oblasti estestvennykh i selskokhozyaystvennykh nauk”. — Severo-Kazakhstanskiy GU im. akademika Manasha Kozybaeva, 2018. — P.237–239.

8. Kutuzova A. A. Novyy metod energeticheskoy otsenki lugovykh agroekosistem / A. A. Kutuzova, L. S. Trofimova, E. E. Provornaya // Programma i metodika provedeniya nauchnykh issledovaniy po lugovodstvu na 2011–2015 gody. — Moscow, 2011. — P.128–163.

9. Kutuzova A. A. Metodika otsenki potokov energii v lugovykh agroekosistemakh / A. A. Kutuzova, L. S. Trofimova, E. E. Provornaya. — 3^rd ed. pererab. i dop. — Moscow: Ugreshskaya tipografiya, 2015. — 52 p.

10. Kulakov V. A. Vliyanie udobreniy na floristicheskiy sostav, kachestvo korma i produktivnost dolgoletnikh pastbishch / V. A. Kulakov, D. A. Altunin // Mnogofunktsionalnoe adaptivnoe kormoproizvodstvo: sbornik nauchnykh trudov. Iss. 7(55). — Moscow, 2015. — P.12–18.