CC BY
45
УДК 633.16:631.82:551.515
DOI 10.24411/0235-2516-2019-10024
УРОЖАЙНОСТЬ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ И ЕЕ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ПЕРИОД ВЕГЕТАЦИИ
1А.В. Пасынков, д.б.н., 2Е.Н. Пасынкова, д.б.н.
1Агрофизический научно-исследовательский институт, e-mail: pasynkova.elena@gmail.com 2Ленинградский НИИСХ «Белогорка», e-mail: pasynkova.elena@gmail. com
Представлены и обсуждаются зависимости урожайности зерна ячменя от возрастающих уровней минерального питания и гидротермических условий, складывающихся в различные межфазные периоды вегетации. Данные зависимости имеют сложный нелинейный характер и наиболее точно описываются уравнениями второго порядка с четко выраженными точками экстремума или областями оптимума. В максимальной степени (по величине коэффициента детерминации - R2) урожайность зерна ячменя связана с гидротермическими условиями в период трубкование - колошение и всего вегетационного периода (посев - полная спелость). Гидротермический коэффициент (ГТКпо Г.Т. Селянинову) за вегетативный период (посев - колошение) не всегда корректно отражает зависимость урожайности от гидротермических условий, складывающихся в данный период вегетации.
Ключевые слова: ячмень, урожайность, минеральные удобрения, гидротермический коэффициент, межфазный период вегетации, множественный регрессионный анализ.
YIELD OF BARLEY GRAIN AND ITS DEPENDENCE ON LEVEL OF MINERAL NUTRITION AND HYDROTHERMAL CONDITIONS DURING VEGETATION PERIOD
lDr. Sci. A.V. Pasynkov, 2Dr. Sci. E.N. Pasynkova
1Agrophysical Scientific-Research Institute, e-mail: pasynkova.elena@gmail.com
2Leningrad Scientific-Research Institute for Agriculture «Belogorka», e-mail: pasynkova.elena@gmail.com
The dependences of barley grain yield on increasing level of mineral nutrition and hydrothermal conditions in different interphase periods of vegetation are presented and discussed. These dependences have a complex nonlinear view and are most accurately described by second-order equations with clearly defined extremum points or areas of optimum. To the maximum degree (at largest of the coefficient of determination - R2) the yield of barley grain is related to hydrothermal conditions during the period of shooting - earing and the entire vegetation period (sowing - full ripeness). The hydrothermal coefficient (HTK by G.T. Selyaninov) during the vegetative period (sowing - earing) does not always correctly reflect the dependence of the yield on the hydrothermal conditions prevailing during the given growing season.
Keywords: barley, yield, mineral fertilizers, hydrothermal coefficient, interphase periods of vegetation, multiple regression analysis.
В основу сельскохозяйственной оценки климата положена оценка его термических ресурсов и условий увлажнения. Для определения потребности растений в тепле используют суммы эффективных температур, то есть суммы средних суточных температур, отсчитанных от биологического минимума, при котором развиваются растения данной культуры (сорта). Эффективные температуры для различных растений неодинаковы. Так, для яровых зерновых за биологический минимум принята температура +5°С, для кукурузы - +10°С, для хлопчатника - +15°С. Считается, что различная продолжительность в отдельные (в частности, межфазные) периоды вегетации обусловливается преимущественно изменениями в ходе температуры, а коле-
бания урожая зерновых культур в значительной мере связаны со временем и уровнем выпадения осадков. Увеличение количества осадков, особенно свыше оптимальных величин, замедляет прохождение основных фаз развития растений, так как их выпадение обычно сопровождается понижением температуры. Значительное выпадение осадков замедляет и созревание зерна (особенно на последних этапах его формирования и налива), сдвигая наступление фазы полной спелости на более поздний срок. При этом интегральным показателем оценки условий гидротермического режима вегетационных периодов служит предложенный Г.Т. Се-ляниновым гидротермический коэффициент (ГТК) или отношение количества осадков к испаряемо-
сти: ГТК = £ осадков / 0,1 х £ температур > 10°С. Величина ГТК более 1,6 характеризует регион как избыточно влажную зону; 1,6-1,3 - влажную (или нормально увлажненную); 1,3-1,0 - недостаточно влажную; 1,0-0,7 - засушливую; 0,7-0,4 - очень засушливую [1, 2].
Анализ литературных данных [3-10] показал, что в целях корректного исследования зависимостей урожайности сельскохозяйственных культур от гидротермических условий вегетационного периода рекомендуется учитывать температуру и уровень выпадения осадков ежедневно и связывать их не с календарными сроками (декада, месяц), а с датами наступления и продолжительностью основных фаз развития растений или в целом вегетационного периода, так как календарные сроки возобновления весенней вегетации у озимых культур и многолетних трав, а также сроки сева яровых зерновых и сроки посадки овощных и пропашных культур по годам не совпадают, а гидротермические условия весенне-летнего периода вегетации и, в особенности его межфазных периодов, могут существенно отличаться от средних многолетних.
Цель исследования - сравнительная оценка уравнений множественной регрессии, отражающих зависимость урожайности зерна ячменя от уровня минерального питания и гидротермических условий в период вегетации.
Объекты и методы - исследование зависимостей урожайности зерна ярового ячменя сорта Биос 1 (селекции НПО «Подмосковье») проведено на основе данных, полученных в длительном стационарном опыте на дерново-подзолистой, среднесу-глинистой почве в лаборатории агрохимии Зонального НИИСХ Северо-Востока (г. Киров). Опыт проводили в шестипольном зернопаротравяном севообороте: чистый пар, озимая рожь, ячмень с подсевом клевера, клевер одногодичного использования, яровая пшеница и овес. Схема опыта представляла выборку (1/4) из полнофакторной схемы (6 х 6 х 6) и включала 54 варианта в двухкратной повторности. За единицу доз основных элементов минерального питания под зерновые культуры приняты следующие величины: 000 - без удобрений; 111 - (NPK)sg; 222 - (NPK)6o; 333 - (ЫРК)*.; 444 - (NPK)i2o и 555 - (NPK)iso. Данные по урожайности зерна ячменя, полученные в перечисленных выше шести основных вариантах опыта, были использованы при исследовании ее зависимостей от гидротермических условий межфазных периодов весенне-летней вегетации. В опыте применяли аммиачную селитру, двойной суперфосфат и хлористый калий. Под клевер минеральные удобрения не вносили. Более подробно условия и методика полевого опыта, а также некоторые его результаты опубликованы ранее [11]. В настоящей работе использованы данные по количеству осадков и тем-
пературе, полученные на метеостанции г. Кирова. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных проведена методом множественного регрессионного анализа (линейного, полинома половинной степени и второго порядка) с использованием пакета статистических программ Stat. Критерий сравнительной оценки точности полученных уравнений множественной регрессии -величина коэффициента детерминации (R2) [12].
Результаты исследований. Урожайность зерна ячменя при проведении полевого опыта существенно изменялась в зависимости от уровня минерального питания и складывающихся гидротермических условий конкретного вегетационного периода (табл. 1). Так, максимальная урожайность зерна (в среднем по опыту 43,1 ц/га) в шести основных его вариантах получена в один год, минимальная (26,8 ц/га) - также в один год из шести лет проведения исследований. Четыре года со средней урожайностью зерна (32,7-39,1 ц/га) занимали промежуточное положение. Таким образом, при одинаковом минеральном питании был сформирован различный уровень урожайности, вариабельность которой определялась изменением гидротермических условий как всего периода вегетации, но в основном - его межфазных периодов. Так, в период посев - кущение величины ГТК находились в пределах 1,65-3,03; то есть во все годы опытов наблюдалось избыточное увлажнение. Так как средняя урожайность зерна ячменя варьировала в пределах 26,8-43,1 ц/га, то можно сделать следующее заключение: во все годы сложившиеся гидротермические условия в начальный период вегетации не являлись фактором, ограничивающим формирование урожая. Это подтверждается и статистической обработкой экспериментальных данных. Так, зависимость урожайности зерна от величины ГТК в остальные межфазные периоды и всего периода вегетации (посев - полная спелость), наиболее точно (по величине R2) отражают уравнения второго порядка, а в период посев - кущение обнаружена только положительная линейная зависимость урожайности зерна от величины ГТК (+Г) (табл. 2, рис. 1). Следует отметить, что аналогичные зависимости урожая зерна от величины ГТК в период посев - кущение были получены и при проведении исследований с яровой пшеницей [13]. Вероятно, значительные запасы влаги в почве, создававшиеся за счет высокого снежного покрова в годы проведения полевого опыта, а также избыточное увлажнение (табл. 1), наблюдавшееся в начальный период (посев - кущение), не лимитировали рост и развитие растений ячменя, закладку генеративных органов (число зерен в колосе) и формирование густоты продуктивного стеблестоя, как известно [1, 2], происходящих в данный период вегетации.
1. Урожайность зерна ячменя и величины ГТК в период проведения полевого опыта
Год Урожайность зерна, ц/га ГТК (по Г.Т. Селянинову) в период вегетации
мт-мах среднее П - К К - Т Т - Кол П - Кол. Кол. - ПС П - ПС
2000 11,1-42,2 32,7 2,03 1,30 0,51 1,41 0,99 1,25
2001 16,1-56,0 43,1 3,03 0,66 0,31 1,64 1,40 1,53
2002 10,5-52,8 39,1 1,65 2,82 0,29 1,49 0,66 1,15
2006 17,7-44,9 34,8 1,81 1,15 1,32 1,54 1,00 1,34
2007 7,8-34,6 26,8 1,69 0,65 1,46 1,47 1,73 1,57
2008 13,6-50,8 37,8 1,83 1,72 0,84 1,41 1,57 1,46
min-max 7,8-56,0 26,8-43,1 1,65-3,03 0,65-2,82 0,29-1,46 1,41-1,64 0,99-1,73 1,15-1,57
V, % 36,7 23,9 54,5 59,5 5,5 30,7 11,1
Примечание. П - посев, К - кущение, Т - трубкование, Кол. - колошение, ПС - полная спелость, V - коэффициент вариации (то же и в таблице 2).
Значительные различия обнаруживаются в условиях увлажнения следующего периода вегетации: кущение - трубкование. В два года из шести наблюдалось избыточное (2002 и 2008) с практически одинаковой средней урожайностью, в один год (2000) - нормальное, в один (2006) - недостаточное и в два года (2001 и 2007) - сложились засушливые условия. При этом в 2007 г. даже в условиях нормального увлажнения (ГТК = 1,46) в последующий (трубкование - колошение) и избыточного (ГТК = 1,73) - в репродуктивный период, была получена минимальная урожайность зерна ячменя за все годы проведения полевого опыта.
Практически аналогичная контрастность в условиях увлажнения наблюдалась и в период трубкова-ние - колошение: в один год (2007) - избыточное увлажнение, в один (2006) - нормальное, в один (2008) - засуха, а в остальные три года из шести лет проведения полевых опытов наблюдался резкий недостаток влаги. Следует отметить, что недостаток влаги в 2001 г. в период трубкование - колошение не оказал существенного влияния в снижении урожая зерна, так как он был максимальным за все годы исследований. К тому же избыточное увлажнение в начальный период вегетации (посев - кущение) и нормальное - в репродуктивный период (колошение - полная спелость) позволило сформировать максимальную урожайность зерна за все годы проведения опыта. Однако в 2000 и 2002 гг., практически не различающихся по уровню увлажнения предыдущих периодов вегетации (посев - трубкование), засуха в период трубкование - колошение и в репродуктивный период привела к существенному снижению урожая зерна, и особенно сильному в 2000 г.
Необходимо отметить, что в вегетативный период (посев - колошение) величины ГТК во все годы полевых опытов, несмотря на отмеченные выше существенные различия в гидротермических условиях межфазных периодов (посев - кущение, кущение - трубкование и трубкование - колошение) находились в довольно узких пределах: 1,41-1,64. Вероятно, именно по этой причине не удалось получить уравнение множественной регрессии, адек-
ватно отражающее зависимость урожайности зерна ячменя от доз минеральных удобрений и ГТК за вегетативный период развития растений. Как видим, ГТК за вегетацию (посев - колошение) не всегда корректно отражает зависимость урожайности от гидротермических условий, складывающихся в данный период вегетации. Аналогичные данные получены и в исследованиях [14], когда продолжительность периода всходы - колошение (как известно, существенно зависящая от гидротермических условий в этот период вегетации) не оказывала существенного влияния на урожайность различных сортов ячменя.
В репродуктивный период (колошение - полная спелость) в один год (2007) наблюдалось избыточное, в два (2001 и 2008) - нормальное, в два (2000 и 2006) - недостаточное, а в один год (2002) ощущался резкий недостаток влаги. Необходимо отметить, что недостаток осадков в репродуктивный период в меньшей степени, чем в предыдущие межфазные периоды вегетативного, определял уровень и варьирование урожая зерна. Возможно, это связано с тем, что снижение урожая в репродуктивный период может происходить за счет изменения только одного из элементов его структуры: массы зерновки (массы 1000 зерен), так как к этому периоду остальные ее элементы: общее количество растений на единице площади, густота продуктивного стеблестоя и число зерен в колосе уже сформированы [13].
Вариационно-статистический анализ полученных данных по урожайности зерна ячменя и ГТК за межфазные периоды показал, что в максимальной степени варьируют величины ГТК в период кущение - трубкование и трубкование - колошение, в минимальной - ГТК за вегетацию (посев - колошение) и за всю вегетацию (табл. 1). По величине коэффициента вариации урожайность, ГТК в период посев - кущение и в репродуктивный период занимают промежуточное положение.
Множественный регрессионный анализ показал, что во все годы опытов, уровень минерального питания существенно влиял на урожайность зерна ячменя. При этом наиболее точно (по величине R2
= 0,76-0,86) зависимости урожайности от возрастающих доз минеральных удобрений и ГТК за межфазные периоды вегетации отражают уравнения второго порядка (табл. 2). Линейные уравнения и уравнения полинома половинной степени имели более низкие величины Я2 (0,58-0,69 и 0,62-0,72 соответственно), чем уравнения второго порядка. В уравнениях второго порядка обращают на себя внимание зависимости +М - М2 и +Г - Г2, которые показывают, что с увеличением доз удобрений (М) и величин ГТК (Г) урожайность зерна возрастает, однако каждое последующее их увеличение (на единицу) сопровождается меньшей прибавкой урожая и, достигнув эффекта насыщения (точки экстремума), последующее повышение доз удобрений и ГТК сопровождается снижением урожая (рис. 1 и 2с).
Полученные данные показали, что оптимальная доза минеральных удобрений устойчивого к полеганию сорта ячменя составляет 120-125 кг/га д.в. Однако в различные периоды вегетации оптимальные величины ГТК для формирования максимальной урожайности зерна ячменя существенно различаются. Так, в период кущение - трубкование максимальная урожайность зерна при проведении опыта была сформирована при избыточном увлажнении, а в репродуктивный период и за весь период вегетации (табл. 2, рис. 1 и 2с) - при некотором преобладании осадков над испаряемостью (ГТК
1,07 и 1,13 соответственно). В период трубкование - колошение точки экстремума (оптимума) по величине доз минеральных удобрений и ГТК определить не представляется возможным, так как в уравнении регрессии существует значимое взаимодействие (МТ) независимых переменных (табл. 2). Однако четко видны области оптимума по величине ГТК для формирования урожая (рис. 1). Минимальная (0,9-1,1 ц/га) урожайность зерна в контроле была сформирована при ГТК в данный период вегетации. С возрастанием доз минеральных удобрений область оптимальных величин ГТК для формирования максимальной урожайности зерна смещается в область его меньших значений. В рассматриваемом случае подтверждается известное положение о том, что чем ближе доза удобрений к оптимальной, тем меньшее количество влаги необходимо для формирования единицы урожая.
В таблице 3 приведены данные сравнительной оценки точности разработанных уравнений множественной регрессии, отражающих зависимость урожайности зерна ячменя от уровня минерального питания и величины ГТК за период посев - полная спелость. Линейное и уравнение полинома половинной степени в отличие от уравнения второго порядка характеризуются меньшей точностью (по величине Я2) и большей суммой квадратов отклонений экспериментальных величин урожайности от теоретических.
2. Зависимости урожайности зерна ячменя (У, ц/га) от доз минеральных удобрений _и величины ГТК в различные периоды вегетации_
Период Уравнение регрессии (п = 36) Я2 ТЭм ТЭг
П - К У = 15,319М - 1,842М2 + 7,100Г 0,77* 125 -
К - Т У = 16,769М - 2,062М2 + 14,736Г - 3,311Г2 0,76* 122 2,23
Т - Кол. У = 19,939М - 2,044М2 + 34,7107Г - 17,895Г2 - 4,170М-Г 0,86* - -
Кол. - ПС У = 15,126М - 1,813М2 + 31,730Г - 14,859Г2 0,80* 125 1,07
П - ПС У = 15,114М - 1,811М2 + 27,522Г - 12,157Г2 0,82* 125 1,13
п - общее число наблюдений; * - статистически значимо при р < 0,05; М - дозы минеральных удобрений (в кодированных единицах: 0 - без удобрений, 1 - (МРК)з0, ... 5 - (ЫРК)150); Г - ГТК; ТЭм и ТЭг - точки экстремума по дозам минеральных удобрений (м) и ГТК (г); то же и в таблице 3.
3. Сравнительная оценка точности уравнений множественной регрессии
Вариант У (1) = 14,615М + 14,683Г -6Д35МТ; Я2 = о,64* У (2) = 15,492М°'5 + 12,907Г°'5; Я2 = о,76* У (3) = 15,114М - 1,811М2 + 27,522Г - 12,157Г2; Я2 = о,82*
Уэ Yт (Уэ - Yт) ^э - Yт)2 Yт (Уэ - Yт) ^э - Yт)2 Yт (Уэ - Yт) (Уэ - Yт)2
Без удобрений 12,8 20,3 -7,5 56,25 15,2 -2,4 5,76 14,8 -2,0 4,00
(ЫРК)зо 30,8 26,4 4,4 19,36 30,7 0,1 0,01 28,1 2,7 7,29
(ЫРК)бо 37,6 32,6 5,0 25,00 37,1 0,5 0,25 37,8 -0,2 0,04
(№К>о 42,9 38,7 4,2 17,64 42,0 0,9 0,81 43,9 -1,0 1,00
(№К)12о 44,0 44,8 -0,8 0,64 46,1 -2,1 4,41 46,3 -2,3 5,29
(№К>5О 46,2 51,0 -4,8 23,04 49,8 -3,6 12,96 45,1 1,1 1,21
£ 141,93 24,20 18,83
Примечание. (1) - линейное уравнение; (2) - уравнение полинома половинной степени; (3) - уравнение второго порядка (табл. 2); Уэ - урожайность зерна ячменя экспериментальная, ц/га (среднее за 6 лет в основных вариантах опыта); Ут - урожайность зерна теоретическая (расчет по соответствующему уравнению регрессии); (Уэ - Ут) -отклонения экспериментальных величин от теоретических, ±; (Уэ - Ут)2 - квадрат отклонений; £ - сумма квадратов отклонений экспериментальных величин урожайности от теоретических или £ (Уэ - Ут)2.
Рис. 1. Зависимость урожайности зерна ячменя от доз удобрений и величины ГТК за межфазные периоды, ц/га
Рис. 2. Зависимость урожайности зерна ячменя (а - линейное уравнение, в - полинома
половинной степени, с - второго порядка) и яровой пшеницы ^ - второго порядка) от доз минеральных удобрений и величин ГТК в период посев - полная спелость, ц/га
На рисунках 1 и 2 (а, в, с) в пределах полученных экспериментальных данных по урожайности ячменя и наблюдений за гидротермическим режимом в различные периоды вегетации в графическом виде (в виде поверхности отклика функции) представлены зависимости урожайности зерна от доз минеральных удобрений и величин ГТК.
Графические изображения уравнений второго порядка подтверждают основные тенденции в изменении урожайности зерна ячменя в зависимости от доз удобрений и величин ГТК, отмеченные при анализе разработанных уравнений множественной нелинейной регрессии (табл. 2). На рисунке 2d также в графическом виде представлена зависимость урожайности зерна яровой пшеницы от доз удобрений и величин ГТК за период вегетации [13]. У обеих зерновых культур (у пшеницы - более рельефно) отмечаются четко выраженные точки экстремума (оптимума) по дозам удобрений и величине ГТК (рис. 2с и 2d соответственно). То есть для получения в данных почвенно-климатических условиях максимальной урожайности зерновых культур необходимы оптимальные условия не только по величине доз минеральных удобрений, но и оптимальный гидротермический режим в
наиболее важные (критические) для его (урожая) формирования межфазные периоды.
Таким образом, зависимости урожайности зерна ячменя от доз минеральных удобрений и гидротермических условий, складывающихся в период вегетации, имеют сложный нелинейный характер. Максимально точно данные зависимости отражают уравнения второго порядка с четко выраженными точками экстремума или областями оптимума. Наиболее тесно (по величине коэффициента детерминации) урожайность зерна ячменя связана с гидротермическими условиями в период трубкование - колошение и всего периода вегетации (посев - полная спелость). ГТК за вегетативный период (посев - колошение) не всегда корректно отражает зависимость урожайности от гидротермических условий в данный период вегетации. Небольшое количество лет опытов и сравнительно низкие величины коэффициентов детерминации не позволяют сделать максимально точное заключение об оптимальных параметрах ГТК для формирования урожая ячменя и предполагают увеличение продолжительности периода наблюдений.
Литература
1. Иванов П.К. Яровая пшеница. - М.: Колос, 1971. - 328 с.
2. Чирков Ю.И. Агрометеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 320 с.
3. Минеев В.Г. Основные направления исследований влияния погодно-климатических условий на эффективность удобрений / Эффективность удобрений при различных погодных и климатических условиях. - М., 1985. Труды ВИ-УА. - С. 8-16.
4. Стребков В.М. Методы количественного выражения погоды в математических моделях и ее роль в системе почва - климат - удобрение - урожай / Эффективность удобрений при различных погодных и климатических условиях. - М., 1985. Труды ВИУА. - С. 43-51.
5. Минеев В.Г., Громыко О.И., Щербакова Н.И. Изучение связи урожаев яровых культур и эффективности удобрений с погодными условиями / Погода и эффективность удобрений. - Бюлл. ВИУА, 1985, № 75. - С. 3-6.
6. Третьяков Н.Н., Сенников В.А., Гавадзюк А.В. Анализ межфазных периодов кукурузы с использованием ради-ационно-тепловых факторов // Известия ТСХА, 2002, Вып. 3. - С. 101-114.
7. Наволоцкий Д.В. Генотип - средовые взаимодействия при формировании продуктивности и технологических качеств зерна у пивоваренных сортов ячменя Центрального Черноземья: автореф. дисс. к.с.-х.н. - Каменная степь, 2004. - 27 с.
8. Крючков А.Г., Бесалиев И.Н. Параметры температурного режима и увлажнения межфазных периодов вегетации ячменя // Вестник Россельхозакадемии, 2008, № 5. - С. 51-52.
9. Сиротенко О.Д., Романенков В.А., Павлова В.Н., Листова М.П. Оценка и прогноз эффективности минеральных удобрений в условиях изменяющегося климата // Агрохимия, 2009, № 7. - С. 26-33.
10. Рахматуллина А.Ф., Гайфуллин Р.Р. Условия увлажнения и динамика урожайности яровой мягкой пшеницы в Зауральской степи // Вестник Башкирского ГАУ, 2014, № 2. - С. 32-35.
11. Пасынков А.В., Светлакова Е.В., Котельникова Н.В., Абашев В.Д. и др. Влияние длительного применения минеральных удобрений на плодородие дерново-подзолистой почвы, продуктивность севооборота и качество зерна // Агрохимия, 2016, № 10. - С. 38-47.
12. Иванова Т.И. Прогнозирование эффективности удобрений с использованием математических моделей. - М.: Агропромиздат, 1989. - 235 с.
13. Завалин А.А., Пасынкова Е.Н., Пасынков А.В. Зависимость урожая зерна яровой пшеницы от гидротермических условий межфазных периодов вегетации // Плодородие, 2010, № 4. - С. 6-8.
14. Васько Н.И., Наумов А.Г., Солонечный П.Н., Важенина О.Е., Солонечная О.В., Зимогляд А.В. Зависимость продолжительности межфазных периодов и урожайности ярового ячменя от погодных условий // Вестник Белорусской ГСХА, 2017, № 4. - С. 77-81.
