CC BY
69
Закономерности поступления и расхода влаги растениями яровой твёрдой пшеницы в степи оренбургского Зауралья
А.Г. Крючков, д.с.-х.н, профессор, ФГБНУ Оренбургский НИИСХ
Влага — главный лимитирующий фактор в засушливых степных регионах страны и земного
шара. Не случайно земледельцы этих регионов и исследователи уделяют особое внимание этому фактору жизни растений [1]. Вопросы фотосинтеза, связанные с солнечной энергией, её спектральным составом, ролью хлорофилла и т.п., глубоко ис-
следовались физиками, физиологами, химиками, биологами.
Движению растворимых в воде веществ из почвы в растение посвящена работа П.Х. Ная и П.Б. Тинкера [2]. Исследователи указывают на то, что растения извлекают из почвы основную часть необходимой влаги, однако общая потребность во влаге определяется климатом, величиной растений и их испаряющей поверхностью. При этом проблему влагопереноса они рассматривают применительно к работе корневых систем.
С.В. Нерпин и А.Ф. Чудновский рассмотрели модели транспирации, сосущей силы корней, испарения влаги из пахотного слоя, теплового, радиационного, энергомассообмена в посевах и почвах, тепло- и влагообмена растений с почвой и приземным воздухом [3].
Однако все эти фундаментальные разработки не затронули фотосинтеза и продуктивности растений в связи с влагопотреблением. Они прежде всего обращены ко второй составляющей фотосинтеза — содержанию, превращениям и потреблению СО2, что и естественно, поскольку в Прибалтике, Англии и Санкт-Петербурге продуктивность растений лимитируется не влагой, а почвенным плодородием.
К.Г. Шульмейстер указывал, что главная особенность климата засушливого Юго-Востока заключается в резко выраженном дефиците влажности воздуха, превышении испаряемости влаги над количеством осадков (в 3—4 раза), нестабильности выпадения осадков в каждом месяце сезона и весенних запасов почвенной влаги [4].
По обобщённым нами многолетним данным, недобор урожайности зерновых культур в оренбургском Зауралье от поражения засухами изменяется от 4,1 до 7 ц с 1 га при среднемноголетней урожайности в пределах 9,6 + 7,8 ц с 1 га [5].
В связи с этим вопросы детальной проработки водопотребления яровой твёрдой пшеницей, одной из наиболее значимых в экономическом и экологическом планах культур, обретают особую остроту.
Цель постановки на исследование вопроса заключается в разработке научно обоснованных параметров модели потребления влаги растениями яровой твёрдой пшеницы в оренбургском Зауралье, обеспечивающих совершенствование технологии их возделывания.
Научная новизна исследования состоит в неразработанности таких параметров модели в мировой и отечественной практике для яровой твёрдой пшеницы в степных регионах при возделывании её по парам при разных сроках сева и нормах высева.
Объекты и методика исследований. В целях решения поставленных на изучение вопросов были использованы материалы длительных наблюдений за погодными условиями в АГМС «Адамовка» (1939—1986 гг.), МП «Адамовка» и Айдырля (1988—2004 гг.), Восточного опорного пункта Оренбургского НИИСХ (1988-2012 гг.) [6];
результаты учета урожайности по данным полевых опытов за 1988—2002 гг. на стационаре и результаты опытов с тремя сроками сева и тремя нормами высева на фоне пара без удобрений и с удобрением. Расчеты потребности в воде проводили по А.М. Ал-патьеву [7], ПаЗ-1 (показатель атмосферной засушливости) определяли по С.С. Синицыну [8], коэффициенты засушливости, технологической нагрузки, дискомфортности и оптимальности — по оригинальным методикам А.Г. Крючкова [9]. Кроме того, использовали общепринятые статические методы: группировок, вероятности, нелинейного корреляционно-регрессионного анализа [10]. Расчеты проведены на ПЭВМ с использованием программы Statsgrafiks с расширением до 34 функций.
Результаты исследований. На черноземах южных в степной зоне оренбургского Зауралья потребность растений в воде, по данным за годы наблюдений (1939—1986 гг.), составляет в мае — 122,9 мм, июне — 173,6, июле — 185,4, августе — 161,2 мм и всего за май — август она равна 643 мм. За годы полевых экспериментов (2001—2003 гг.) она составила 625,7 мм, или приблизилась к среднесезонному многолетнему показателю.
Влагообеспеченность яровой твердой пшеницы в опытах изменялась от 0,34 до 0,53 ед. При этом в коэффициенте влагообеспеченности весенние запасы влаги в метровом слое почвы преобладали над количеством осадков, выпадающих за период ее вегетации. Ежегодно наблюдалось снижение запасов влаги в почве от 1-го срока сева до 2-го срока на 10,7 мм (6,7%) и 3-го срока сева — на 13,9 мм (8,7%).
За сельскохозяйственный год здесь выпадало осадков в среднем, по 65-летним данным учета (1939—2004 гг.), 315 мм с колебаниями от 102 до 526 мм. В 20% лет выпало менее 250 мм осадков, в 47,7% лет - 250-350 мм и в 32,3% лет было вероятно выпадение 350-450 мм и более осадков. Среднемесячное повышенное количество осадков за холодный период сельскохозяйственного года приходится на октябрь (30,4 мм), ноябрь (23 мм) и декабрь (22,1 мм). В январе, феврале и марте оно снижается до 17,7-16,2 мм, а в апреле начинает повышаться до 20,6 мм. Затем наблюдается увеличение количества осадков: в мае до 30,7 мм, июне - 35,6, июле - 44,7 мм, в августе и сентябре вновь снижается до 32,4 и 24,2 мм. Но при этом в каждом месяце в отдельные годы осадков может и не быть.
Между порядковым номером месяца сезона, считая с апреля, существует тесная (л^ 0,945) связь, которая в 89,36% случаев адекватно описывается уравнением вида:
у = 1,5738 + 21,1264х - 2,8964х2±2,6 мм,
где х - порядковый номер месяца и у - количество выпадающих осадков в мм при следующих параметрах:
1 - 6
3,5 ± 1,71
20,9 - 44,7
у =-мм.
32,6 ± 7,8
На Восточном опорном пункте за 25-летний (1988—2012 гг.) период общий характер распределения осадков по месяцам сезона подтверждает вывод об июльском их максимуме.
Максимум осадков (38,1 мм) и в этом случае теоретически приходится на 2—3 июля или на период с 16 июня по 15 июля.
В экспериментах на поле обнаруживается высокая степень адаптированности яровой твёрдой пшеницы к распределению осадков по межфазным периодам её вегетации. По мере прохождения её вегетативных межфазных периодов увеличивается количество выпадающих осадков: посев — всходы (13,9 мм), всходы — кущение (22,8 мм), кущение — колошение (37,3 мм), а при репродуктивных периодах наблюдается их снижение: колошение — молочная спелость (14,5 мм), молочная — восковая спелость (9,8 мм) и восковая — полная спелость (6,8 мм).
Между порядковым номером дня сезона, считая с 1 марта, и количеством выпадающих осадков по межфазным периодам существует связь (л^ 0,754). Уравнение вида:
у = -57,8798 + 1,3358х-5,3908 Б—03х2±5,83 мм
адекватно для 56,87% случаев. Согласно ему на середину периодов приходится осадков: посев - всходы - 1-1,5 мм (74-й день), всходы -кущение (89-й день) — 18,4 мм, кущение — выход в трубку (104-й и 119-й день) — 22,7 и 24,7 мм, колошение (124-й день) — 24,9 мм; молочная спелость (134-150-й день) — 24,2—21,3 мм, восковая (165-й день) — 15,9 мм и полная спелость (189-й день) — 8 мм.
Среднесуточное увлажнение посевов осадками последовательно ухудшается от периода всходы — кущение до периода восковая — полная спелость с 1,43 мм/сут до 1,18; 0,84; 0,84 и 0,89 мм/сут.
Правильному выбору срока сева способствует определение порядкового номера дня, когда снижается среднесуточное увлажнение осадками в конце созревания. Для ухода от осенних дождей, приходящихся на созревание посевов, применимы расчёты по уравнению:
у = 24,9578 — 1,07986х+ 1,8576Е — 02х2— 1,5122Е
—04х3+ 5,85Е—07х4— 8,686Е—10х5± 0,127 мм/сут.
Отношение запасов почвенной влаги к севу к осадкам за вегетацию составляет 1,14 ед. (0,55—2,92 ед.), а расход общей (доступной) влаги равен 249,2 мм (119,9—363,5 мм). Недоиспользуется из почвы 69,3 мм (126—51,4 мм), или 21,8% (51,4—12,4%).
Урожайность яровой твёрдой пшеницы находится в сильной зависимости от запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы к севу (лух= 0,816), и расхода суммарной влаги (запас + осадки) за первую половину вегетации (лух= 0,824). По мере роста расхода (х) суммарной влаги с 49,8 до 190,9 мм и запаса (х1) влаги к севу со 123 до 205 мм урожайность её зерна возрастает с 9,28 и 13,04 ц с 1 га до 28,94 и 27,27 ц с 1 га по уравнениям вида:
1) у = —4,3886 + 0,3179х — 7,507Е —
— 04х2±3,34 ц с 1 га,
2) У1 = —61,4288 + 0,864х1 —2,1064Е —
— 03х1±3,3 ц с 1 га.
Во 2-й половине вегетации резко возрастает напряжённость связи урожайности с запасом влаги в почве на дату колошения (л^ 0,919), отношением запасов к осадкам за этот же период (Лух= 0,819), количеством суммарной влаги (Лух= 0,817), а значимость связи с расходом влаги за этот период ослабляется (лух= 0,780).
За период вегетации в целом урожайность сильнее всего связана с расходом суммарной влаги (Лух= 0,865), суммой доступной влаги (лух= 0,865) и запасом влаги в почве к севу (лух= 0,816). Осадки слабее связаны с урожайностью (лух=0,759), а связь с отношением запасов влаги к осадкам проявляется в средней степени (лух= 0,667).
Множественное корреляционное отношение запасов влаги в почве (х1) и осадков (х2) наиболее тесно (лух1х2= 0,901) отражает зависимость урожайности от этих факторов за период колошение — полная спелость по сравнению со связью за периоды посев — колошение (лух= 0,654) и посев — полная спелость (лух1х2 = 0,707) и в 81,26% случаев адекватно описывается следующим уравнением:
у= 10,1468—1,3575х1 —9,356Д—02х2 +
+ 7,1704Д — 0,4х2 + 4,903Д—04х1х2 + 4,1938Д —
— 04х2± 0,199 т с 1 га
при параметрах:
67,1-119,0 99,72
100 - 48,1
69
мм;
В 85,68% случаев уравнение позволяет рассчитать нужный срок сева при условиях: х = дней, считая с 1 марта, у = мм/сут.
За период вегетации сумма доступной влаги равна 318,5 мм (194,5—449,5 мм), из которых запас влаги в почве к севу равен 169,8 мм (123—222,2 мм), осадки составляют 148,8 мм (62,9—320,6 мм). Доля почвенной влаги равна 53,3% (35,6—74,5%), осадков — 46,7% (64,4—25,5%).
2,257 - 3,733 у =-т с 1 га.
2,89
На величине урожайности яровой твёрдой пшеницы сильно отражается скорость расхода почвенной влаги за вегетацию (лух= 0,897) и среднесуточная величина выпадающих осадков (лух= 0,851) на фоне удобренного пара, а по неудобренному пару — скорость расхода почвенной влаги (лух= 0,874) и её запас к севу (лух= 0,816). Связь со среднесуточным выпадением осадков
х =
мм; х2 =
х, =
по пару без удобрений слабее (лух= 0,803), чем по удобренному пару, но роль запасов влаги в почве сильнее (лух= 0,816).
Для получения максимальной урожайности на обоих фонах запас влаги в почве должен быть на уровне 170,4 мм (3,3 и 3,56 т с 1 га), скорость расхода влаги из почвы должна быть или минимальной — 0,64 мм/сут (3,27 и 3,34 т с га), или повышенной (при значительных осадках — 1,59 мм/сут) — 1,4 мм/сут (3,27 и 3,61 т с 1 га). При средних величинах расхода влаги (1,02; 0,98 мм/сут) и среднесуточных осадков (около 1 мм/сут) урожайность снижается (2,48; 2,74 т с 1 га).
Урожайность в зависимости от скорости расхода почвенной влаги за вегетацию может быть рассчитана на удобренном пару для 80,45% случаев по уравнению вида:
У1 = 76,2984 — 99,32х1 + 50,476х1 ± 1,5 ц с 1 га,
а по неудобренному пару для 76,47% случаев — по уравнению:
у = 81,59 — 111,11х + 54,42х2± 1,51 ц с 1 га.
В засушливых условиях важное значение имеет скорость накопления урожайности яровой твёрдой пшеницей в связи со среднесуточным накоплением тепла (лух= 0,976), которая, в свою очередь, находится в тесной связи со среднесуточным расходом влаги из почвы (лух= 0,852) по пару без удобрений. По удобренному пару связь со среднесуточным поступлением тепла близка к неудобренному пару (Лух=0,971), связь со среднесуточным расходом влаги из почвы более тесная (лух= 0,903). В то же время скорость среднесуточного расхода влаги (запас в почве к севу — остаток влаги в почве) на неудобренном пару сильно коррелирует (лух= 0,874), а на удобренном — несколько слабее (лух= 0,832) со среднесуточным поступлением тепла за вегетацию. Скорость накопления урожайности достигает наибольших величин при среднесуточном поступлении тепла 24,14°С/сут (40,95 кг/сут/га), среднесуточном
расходе влаги из почвы 1,4 мм (38,88 кг/сут/га), но рост суточного поступления тепла с 16,82°С/ сут до 19,56°С/сут приводит к расходу влаги с 0,79 до 1,17 мм/сут, а при 24,14°С поступления тепла в сутки скорость расхода влаги падает до минимума.
На обоих фонах для максимума скорости накопления урожайности необходима среднесуточная скорость поступления 3,43 мм/сут суммарной влаги, в т.ч. суточное выпадение 0,96-1,59 мм осадков.
Вывод. Установленные закономерности поступления и расхода влаги растениями яровой твердой пшеницы при размещении ее по паровым фонам дают более конкретное представление о возможностях технологов и необходимости совершенствования ими применяемых агроприемов на базе более глубокого понимания возможностей климата территории своего землепользования, а не огульного перенесения их из стран и более обеспеченных влагой регионов своей страны в засушливую степь оренбургского Зауралья.
Полученные уравнения могут быть применены для расчетов и оценки своих возможностей в сходном климате.
Литература
1. Чирков Ю.Г. Фотосинтез: два века спустя. М.: Знание, 1981. 192 с. с ил.
2. Най П.Х., Тинкер П.Б. Движение растворов в системе почва - растение / Пер. с англ. Кветной О.М., Петровой М.В.; под ред. и с предисл. О.Г. Усвярова. М.: Колос, 1980. 368 с.
3. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго- и массообмен в системе растение - почва - воздух. Л., Гидрометеоиздат, 1975. 358 с. с ил.
4. Шульмейстер К.Г. Борьба с засухой и урожай. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1988. 263 с. с ил.
5. Крючков А.Г. Основные принципы и методология агро-экологического районирования зерновых культур в степи Южного Урала. М.: Вестник РАСХН, 2006. 704 с. с ил.
6. Материалы агрометеорологических наблюдений АГМС «Адамовка» (1939-1986 гг.), МП «Адамовка» (1987-2004 гг.), АГМС «Айдырля» (1988-2012 гг.).
7. Алпатьев А.М. Влагооборот культурных растений. Л.: Ги-дрометеоиздат, 1954. 248 с.
8. Синицын С.С. Показатель и результаты сравнения агроклиматических условий регионов - аналогов производства высококачественной яровой пшеницы // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2002. № 2. С. 35-39.
9. Крючков А.Г., Тейхриб П.П. Материалы полевых опытов с яровой твердой пшеницей за 2001-2003 гг. Оренбург, 2004.
10. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1979. 416 с.
