Цель исследования. На основе многолетних наблюдений провести анализ влияния климатических условий сухой степи Бурятии на рост и развитие яровой пшеницы с построением прогностических моделей ее продуктивности на разных вариантах применения удобрений.
Методика исследований. Изучение связей зерновой продуктивности пшеницы с климатическими условиями периода вегетации проведено нами на основе данных продолжающегося многолетнего полевого агрохимического опыта (1968-2013 гг.), заложенного в сухостепной зоне Бурятии (БурНИИСХ). В статистическом исследовании изучалась степень влияния различных показателей увлажнения и теплообеспеченности воздуха и почвы на продуктивность пшеницы, возделываемой по пару. Для целей моделирования из 13 вариантов полевого опыта отобраны три: контроль - без удобрений, при внесении органических (навоз 40т) и минеральных удобрений (N40P40K40). Опыт проводится на каштановых почвах, обладающих низким потенциальным плодородием(содержание гумуса - 1,35 ± 0,11%, общего азота - 0,12 ± 0,01%), близкой к нейтральной реакцией среды (рНвод.6,5 ± 0,1), высоким содержанием подвижного Р2О5 (231 ± 22 мг/кг) и обменного К2О (101 ± 14 мг/кг) по Чирикову.
Климатические условия в период исследований (n = 45 лет) менялись согласно определенным трендам глобального характера. Динамика показателей теплообеспеченности (среднемесячные температуры воздуха, суммы эффективных и активных температур) в долгосрочной ретроспективе имеет линейный характер возрастания при относительно низкой вариабельности их значений. В целом зерновые культуры в достаточной степени обеспечены тепловыми ресурсами для нормального роста и созревания. Основным фактором, лимитирующим продуктивность растений в сухой степи, является дефицит увлажнения на ранних стадиях развития, а в отдельные годы - и в периоды цветения и формирования зерна. Тренд условий влагообеспеченности более сложен и представлен полиномиальной регрессией четвертой степени. В целом наблюдалась определенная закономерность в распределении ресурсов тепла и влаги в период вегетации пшеницы (рис.1). Дефицит увлажнения, характерный для мая и начала июня, при резком росте среднесуточных температур и интенсивных сухих ветрах приводит к атмосферной засухе. На этой стадии наиболее важным условием является наличие доступной почвенной влаги в период посева.
Начиная с третьей декады июня условия вегетации становятся более благоприятными, увеличению количества осадков соответствует и рост температур.
Рис. 1. Среднемноголетние значения количества осадков и температур воздуха (1968-2013 гг.).
Содержание продуктивной влаги в пахотном слое почвы зависит от запасов, сохранившихся с прошлого года, скорости и размеров перемещения влаги по профилю почвы, количества выпавших осадков и эвапотранспирационных потерь. Среднемноголетняя динамика влажности почвы под вегетирующими культурами характеризуется относительно постоянными неудовлетворительными ее запасами в пахотном горизонте (менее 20 мм) с мая по август. Запасы влаги снижаются с разной величиной регрессии в более глубоких горизонтах (рис. 2). В целом в период активного водопоглощения запасы влаги в почве оцениваются как плохие или неудовлетворительные.
Рис. 2. Динамика продуктивной влаги в различных слоях почвы под пшеницей по пару (ср. 1968 - 2013 гг.).
Пшеница при благоприятных условиях увлажнения и температур всходит на 10-й день. В наших условиях, при посеве в оптимальные сроки, полные всходы пшеницы отмечаются на 15-17-й день (III декада мая). Первый период развития зерновых характеризуется слабым ростом надземной массы и корней. Кущение пшеницы обычно наступает через 12 -17 дней после появления всходов, соответственно в I и III декадах июня. В засушливых условиях этот период растягивается до 30 дней. Выход в трубку или стеблевание отмечается у пшеницы в среднем через 5 дней после полных всходов (II декада июня) и продолжается около 30 дней до I-II декады июля, когда отмечается фаза колошения. Цветение пшеницы происходит в середине июля. Молочная спелость в среднестатистических условиях наступает через 20-25 дней после фазы полного цветения в I-III декадах августа, формирование зерна до полной спелости происходит в течение 30-35 дней. В условиях засухи срок прохождения генеративных фаз резко сокращается.
Результаты исследований. В соответствии со складывающимися метеорологическими условиями и содержанием почвенной влаги в период вегетации формируется определенный уровень продуктивности пшеницы (рис. 3).
Рис. 3. Динамика урожайности зерна пшеницы в длительном опыте с удобрениями.
Урожайность зерна пшеницы в целом за весь период исследований на контрольном варианте находилась на уровне 16,3±1,4 ц/га при очень высокой вариабельности значений (V=56,1%). Внесение как органических (навоз 40т), так и минеральных удобрений (N40P40K40) оказало практически схожий эффект и позволило повысить урожай соответственно до 22,5±2,1 и 22,6±2,1 ц/га, при этом вариабельность значений также увеличилась до 62%.
Корреляционный анализ влияния параметров тепло- и влагообеспеченности отдельных периодов вегетации на продуктивность пшеницы позволил выявить критические периоды в развитии культуры, условия прохождения которых определяют урожай зерна.
Относительно большая выборка (n=45) данных обеспечивает достоверность выявленных зависимостей урожайности пшеницы с показателями климата (табл. 1-2).
- Рост средних температур в первой декаде июня достоверно снижал продуктивность пшеницы за счет усиления атмосферной засухи (r = -0,43...-0,46). Основным фактором, регулирующим урожай пшеницы в этот период, является наличие влаги в зоне узла кущения, при ее недостатке узловые корни не образуются. Способность образовывать эти корни у яровой пшеницы ограничивается довольно коротким периодом - от формирования узла кущения до выхода в трубку - I-II декады июня.
- Уровень прибавок пшеницы вне зависимости от систем удобрений зависел от количества осадков, выпавших в третьей декаде июня. По многолетним фенологическим наблюдениям, этот период совпадает с фазой выхода в трубку, когда происходит формирование репродуктивных органов пшеницы - закладывается число колосков в колосе и цветков в колосках. В наших условиях в большинстве случаев первый максимум осадков (рис. 1) совпадал именно с этим критическим периодом. Корреляционные связи количества осадков (III декада июня) и урожайности зерна были значимыми и средними по всем вариантам опыта (r = 0,39...0,40). Соответственно осадкам, значимо влияние и температур воздуха в этот период (r = - 0,50...-0,52).
- Другой критический период отмечен в третьей декаде июля, который совпадает с фазой начала цветения. Снижение влажности воздуха ниже критической, как следствие роста среднесуточных температур и сокращения выпадающих осадков, увеличивает стерильность пыльцы и соответственно озерненность колоса [3]. Корреляционные связи продуктивности с количеством осадков были значимыми и средними по значению (r = 0,37...0,40).
- Значимое влияние на продуктивность оказывали и осадки в третьей декаде августа. В это время происходит налив семян пшеницы, конечный урожай формируется за счет натуры зерна. Влияние на урожайность выпадающих осадков было достоверным и средним (r = 0,34...0,43), причем удобренные варианты отличались большей отзывчивостью к осадкам (табл. 1).
Продуктивная влага в почве к моменту посева не оказывала существенного влияния на зерновую продуктивность, по всей видимости, из-за относительно стабильных ее запасов после парового поля.
Из более общих климатических показателей существенное влияние на урожай зерна пшеницы оказали температура и осадки за летние месяцы, соответственно и среднее ГТК (табл. 2). Корреляции урожая с суммами активных и эффективных температур были средними по силе и обратными по значению. Ввиду недостатка влаги рост температур оказывал негативное влияние на продуктивность пшеницы.
Взаимное влияние удобрений и климатических ресурсов на урожай было незначительным. Отметим лишь большую отзывчивость урожая удобренных вариантов на количество выпадающих осадков за май - август (r = 0,62...0,64) относительно контроля (r = 0,58). Аналогичная тенденция выявлена и по температурам за июнь - июль.
Моделирование урожайности пшеницы по наиболее значимым признакам позволяет спрогнозировать урожайность по климатической ситуации в конце каждого летнего месяца. В качестве предикторов уравнения выступают признак-факторы, в наибольшей степени ограничивающие потенциальную урожайность: условия увлажнения и теплообеспеченности за прошедший период.
На конец июня потенциальная урожайность зерна пшеницы, по вариантам опыта, определялась следующими многофакторными линейными уравнениями:
0-без удобрений - У(ц/га) = 57,6+0,15WVI - 2,84tVI, r2=0,58;
Р20 +N40P40К40 - У(ц/га) = 90,3+0,22 WVI - 4,60 tVI, r2=0,59;
Р20 + навоз 40 т - У(ц/га) = 84,7+0,22WVI - 4,32 tVI, r2=0,56;
На конец июля возможность получения зерна пшеницы определялась моделями:
0-без удобрений - У(ц/га) = 93,3+0,07WVI-VII - 4,74 tVI-VIII, r2=0,65;
Р20 +N40P40К40 - У(ц/га) = 146,6+0,11 WVI-VII - 7,62 tVI-VII, r2=0,72;
Р20 + навоз 40 т - У(ц/га) = 137,5+0,12WVI-VII - 7,14 tVI-VII, r2=0,70;
На конец августа аналогичные модели урожайности пшеницы имели вид:
0-без удобрений - У(ц/га) = 82,8+0,06WVI-VIII - 4,42 tVI-VIII, r2=0,59;
Р20 +N40P40К40 - У(ц/га) = 126,4+0,10WVI-VIII - 6,97 tVI-VIII, r2=0,62;
Р20 + навоз 40 т -У(ц/га) = 116,9+0,10WVI-VIII - 6,45 tVI-VIII, r2=0,61.
В моделях признак-факторы: WVI, WVI-VII, WVI-VIII- количество выпавших осадков соответственно за июнь, июнь - июль, июнь - август; tVI, tVI-VII, tVI-VIII - средняя температура воздуха за обозначенные периоды наблюдений.
Заключение. Соотношение коэффициентов регрессии (а1, а2, ...аn) в линейных многофакторных моделях вида у = а0 + а1х1 + а2х2,...+ аnхn выявляет степень влияния различных предикторов на результирующий фактор. Наибольшее воздействие на урожай пшеницы оказывали осадки в начале вегетации (июнь). При типичном дефиците увлажнения в этот период каждые 10 мм выпавших осадков повышали урожай на 1,5-2,2 ц/га, в последующем их влияние несколько сокращалось. Значимость температурного фактора нарастала к июлю и снижалась к августу. Так, рост средних температур воздуха на каждый 1 °С в июне снижал урожай зерна на 2,8-4,6 ц/га, а уже в среднем за июнь-июль этот показатель составлял 4,7-7,6 ц/га. Удобренные варианты в условиях сухостепной зоны обладали большей потенциальной урожайностью, но также в большей степени реагировали на изменения количества осадков и средних температур, чем вариант без внесения удобрений.
Модели продуктивности зерновых культур требуют постоянного улучшения за счет расширения базы данных, увеличения количества признак-факторов. В качестве которых могут быть привлечены специфические климатические характеристики среды; показатели агрофизических, агрохимических и биологических параметров и режимов почвы; интенсивности физиологических процессов: транспирации, фотосинтеза, дыхания и др. Необходимость поиска других предикторов вызвано тем, что комплексное воздействие рассматриваемых выше климатических условий на продуктивность зерновых культур не превышало 72%, влияние других факторов осталось неучтенным. Между тем верификация моделей показала высокую степень их достоверности, они могут использоваться для практического применения при прогнозировании урожайности культур по общедоступным метеорологическим показателям.
Рецензенты:
Будажапов Л.-З.В., д.б.н., директор ГНУ «Бурятский НИИСХ Россельхозакадемии», профессор кафедры растениеводства, луговодства и плодоовощеводства ФГБОУ ВПО «Бурятская ГСХА им. В.Р. Филиппова», г. Улан-Удэ;
УбугуноваВ.И., д.б.н., ведущий научный сотрудник ИОЭБ СО РАН, профессор кафедры почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «Бурятская ГСХА им. В.Р. Филиппова», г. Улан-Удэ.