Биоклиматический потенциал продуктивности полевых культур на юго-западе Центрального региона России

УДК 633 :551

БИОКЛИМАТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ПРОДУКТИВНОСТИ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР НА ЮГО-ЗАПАДЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО

РЕГИОНА РОССИИ

МЕЛЬНИКОВА О.В.

ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

Наиболее целесообразным показателем для оценки продуктивности сельскохозяйственных растений является биоклиматический потенциал территории, поскольку он в комплексе учитывает приход ФАР, накопленную сумму эффективных температур и запасы продуктивной влаги за период вегетации культуры. В условиях Центрального региона России большинство абиотических факторов (температура и осадки), определяющих рост, развитие растений и урожай в полевых условиях не подлежат регулированию, поэтому могут стать лимитирующими.

Ключевые слова: полевые культуры, программируемая урожайность культур, фотосинтетически активная радиация, биоклиматический потенциал территории.

Развитие направлений биологизации земледелия требует всесторонней оценки биоклиматического потенциала региона возделывания сельскохозяйственных культур с целью активизации биологических процессов воспроизводства агроэкологических ресурсов (Саранин, 1994, 1996, Мальцев и др., 2002).

Оценка биоклиматического потенциала продуктивности полевых культур на основе научного программирования предусматривает получение урожая, оптимального для конкретных почвенно-климатических и хозяйственно-экономических условий каждого поля, это позволяет стабильно повышать урожайность сельскохозяйственных культур при одновременном повышении почвенного плодородия. В связи с этим, научное программирование биоклиматического потенциала продуктивности полевых культур в условиях биологизации земледелия, внедряемой в юго-западной части Центрального региона России, является актуальным.

Объектами исследований являлись культуры полевого агроценоза: озимая пшеница, картофель, однолетние травы и яровой ячмень.

Цель исследований - оценка биоклиматического потенциала продуктивности озимой пшеницы, картофеля, однолетних трав и ярового ячменя, возделываемых в плодосменном севообороте на юго-западе Центрального региона России.

В задачи исследований входило:

- установить потенциально возможный уровень продуктивности сельскохозяйственных культур с учетом прихода ФАР (фотосинтетически активной радиации);

- рассчитать возможный уровень урожайности культур по влагообеспеченности посевов;

- оценить уровень продуктивности по гидротермическому показателю;

- определить возможную урожайность культуры по качественной оценке почвы;

- обосновать потенциальный уровень урожайности культур с учетом биоклиматического потенциала региона;

Методы исследований - лабораторно-полевой и метод научного программирования урожайности.

Научная новизна результатов исследований заключается в том, что дана оценка биоклиматического потенциала региона и определены теоретически уровни потенциально возможного урожая культур агрофитоценоза.

Продуктивность культур в агрофитоценозах в первую очередь зависит от суммы приходящей к поверхности посевов фотосинтетически активной радиации (ФАР) и коэффициента ее использования. Фотосинтетически активная радиация - часть лучистой энергии солнца (с длиной волны 0,38 - 0,72 мкм), которую растения усваивают в процессе фотосинтеза (Павлова, 1994).

По данным М.Д. Павловой (1984) годовой суммарный приход ФАР на территорию суши различен в зависимости от широты местности (табл. 1).

В условиях Брянской области суммарный приход ФАР за период с температурами выше +10 оС составляет 127,4 кДж/см , за период с температурами выше +5 оС - 149,2 кДж/см2.

Первым этапом в программировании урожайности является определение его потенциального уровня, который теоретически мог быть достигнут в результате усвоения посевами рассматриваемой культуры поступающей фотосинтетической активной радиации, если бы все другие факторы находились в оптимуме. В процессе фотосинтеза на создание органического вещества посевы используют от 1,5 до 3,5 % ФАР. Коэффициент использования ФАР зависит от оптимизации условий функционирования посевов (Павлова, 1994).

1. Приход ФАР, кДж/см2

Пункт Месяцы За

актинометричес вегетационн

кои станции ый период

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 с С с Е>10о С

Хибины 0, 2,1 10, 21, 24, 28, 27, 16, 8,4 2,9 0, 0 82,1 43,2

4 1 0 7 9 6 8 4

Архангельск 0, 2,9 11, 20, 26, 30, 28, 20, 9,6 2,8 0, 0, 103, 70,8

4 3 5 4 2 5 1 8 4 1

С. - Петербург 0, 3,4 13, 19, 28, 30, 29, 21, 13, 5,0 2, 0, 119, 102,6

8 4 3 1 6 8 8 4 1 8 4

Москва 3, 6,3 15, 18, 27, 28, 28, 24, 14, 6,7 2, 2, 139, 119,8

4 9 8 2 1 5 3 2 9 5 9

Брянск 3, 6,3 15, 19, 27, 32, 31, 25, 15, 7,1 3, 2, 149, 127,4

4 9 3 7 3 8 1 1 4 5 2

Смоленск 2, 6,3 16, 16, 24, 27, 29, 20, 13, 7,1 3, 2, 125, 108,1

9 3 8 3 6 3 5 4 4 1 3

Минск 3, 6,3 15, 19, 28, 31, 31, 22, 14, 8,0 3, 2, 144, 123,6

4 1 3 9 0 0 6 7 4 1 6

Киев 5, 5,4 15, 19, 28, 32, 36, 26, 18, 10, 5, 3, 163, 144,1

0 1 7 9 3 0 4 0 5 0 4 4

Кишинев 5, 8,8 16, 14, 30, 36, 31, 28, 21, 13, 5, 4, 189, 165,9

9 8 7 2 9 8 1 4 4 4 6 4

Астрахань 5, 10, 15, 22, 29, 32, 31, 28, 22, 13, 7, 4, 185, 162,6

4 1 1 6 7 7 8 9 6 4 1 2 2

Потенциальный урожай сельскохозяйственной культуры - это теоретически

возможный максимальный уровень урожайности, рассчитываемый по приходу ФАР, при оптимальном обеспечении посевов всеми другими факторами жизни (вода, свет, тепло, элементы питания) и соблюдении рекомендуемой технологии возделывания. Лимитирующими факторами могут являться генетика сорта и приход ФАР (Косьянчук, Мальцев, Белоус, Ториков, 2004).

Основываясь на методах программирования продуктивности культур М.К. Каюмова (1981, 1982), нами были рассчитаны величины потенциальных урожаев для культур опытного плодосменного севооборота: озимой и яровой пшеницы, ярового ячменя, овса, как компонента однолетних трав, и картофеля по приходу ФАР, по влагообеспеченности посевов, по гидротермическому (ГТП) и биоклиматическому потенциалу (БКП) региона возделывания.

Программирование урожайности культур показало, что сумма приходящей ФАР в юго-западной части Центрального региона может обеспечить достаточно высокий его уровень: для яровых зерновых 53,4 - 66,2 ц/га, озимой пшеницы - 72,2, картофеля - 563,2 ц/га (табл. 2).

Наиболее целесообразным показателем для расчета продуктивности растений является биоклиматический потенциал территории, поскольку он в комплексе учитывает приход ФАР, накопленную сумму эффективных температур и запасы продуктивной влаги за период вегетации культуры. Большинство факторов (температура и осадки), определяющих рост, развитие растений и урожай в полевых условиях не подлежат регулированию, поэтому могут стать лимитирующими.

2. Биоклиматический потенциал урожайности сельскохозяйственных культур на юго-западе Центрального региона России, ц/га

Культура ТУ, дни В>10 оС ^ФАР, кДж/см2 УФАР, ц/га зерна

Озимая 150 1650 114,93 72,2 1,98 32,7 64,7

пшеница

Яровая 100 1530 100,9 56,0 1,44 34,4 49,5

пшеница

Яровой 90 1490 98,9 53,4 1,36 37,4 50,1

ячмень

Овес 110 1600 109,2 66,2 1,65 34,7 57,3

Картофель 125 1750 122,74 563,2 284 1,51 429

Проведенные нами расчеты показали, что урожайность культур с учетом биоклиматического потенциала территории (УБКП) ниже уровня потенциального урожая по приходу ФАР (УФАР). Наибольшая разница в показателях отмечена для самой влаголюбивой культуры - картофеля, так урожайность клубней по БКП на 23,8 % ниже урожайности по приходу ФАР.

Для культур со средней отзывчивостью на условия увлажнения снижение урожайности с учетом БКП было не высоким: для озимой пшеницы на 10,4 %, яровой пшеницы - 11,6 %, ярового овса - на 13 %. Наименьшая разница в урожаях отмечена для ярового ячменя - снижение урожайности на 6 %, поскольку это наиболее засухоустойчивая культура.

По данным Г.С. Посыпанова, В.Е. Долгодворова, Г.В. Коренева (1997) в центральной земледельческой части России лимитирующими факторами могут быть продолжительность безморозного периода и сумма активных температур за этот период. В зоне серых лесных почв главные лимитирующие факторы - недостаточное количество осадков и неравномерное их распределение в течение вегетации. Задача земледельца состоит в том, чтобы с помощью регулируемых факторов (сорта, удобрения, предшественники, агротехника) нивелировать отрицательное влияние нерегулируемых (климатических) факторов и повысить тем самым коэффициент использования ФАР посевами.

В таблице 3 нами рассчитаны теоретически возможные уровни урожайности культур по приходу ФАР при разных коэффициентах ее использования посевами.

3. Теоретически возможная урожайность культур по приходу ФАР за период вегетации при разных коэффициентах ее использования, ц/га

Культура Приход ФАР, МДж/см2 Коэффициенты использования ФАР посевами, %

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Озимая пшеница 114,9 54,1 72,2 90,2 108,3 126,3 144,3 162,4 180,4

Яровая пшеница 100,9 42,0 56,0 70,1 84,1 98,1 112,0 126,1 140,1

Яровой ячмень 98,9 40,1 53,4 66,8 80,2 93,6 107,0 120,4 133,8

Овес 109,2 49,6 66,2 82,7 99,3 115,8 132,3 148,8 165,3

Картофель 122,7 241,3 322,2 402,8 483,3 564,0 644,4 725,0 805,5

Примечание. Приведена урожайность основной продукции при std влажности.

Из расчетов видно, что повышение коэффициента использования ФАР посевами на 0,5 % способствует увеличению урожайности зерна озимой пшеницы на 18 ц/га, яровой пшеницы - 14 ц/га, ярового ячменя - 13,3 ц/га, овса - 16,5 ц/га и картофеля - 80,5 ц/га. Поэтому, в агроценозах следует создавать наиболее оптимальные условия для жизнедеятельности посевов, чтобы они могли поглощать энергию солнца с достаточно высоким коэффициентом полезного действия для создания наибольшей биомассы и сосредоточения ее в хозяйственно ценной части урожая.

Для увеличения коэффициента использования ФАР растениями необходимо создать оптимальную структуру посевов, способных наиболее полно поглощать солнечную радиацию. Одна из основных задач - формирование оптимальной площади листовой поверхности. Исследованиями А.А. Ничипоровича (1956) показано, что процент поглощаемой радиации возрастает по мере того, как площадь листьев в посевах увеличивается до 35-40 тыс. м /га. Дальнейшее увеличение площади листьев значительного роста поглощения радиации не дает.

Это особенно важно в условиях биологизации земледелия, когда средства химизации применяются в ограниченных масштабах или вообще не используются. Здесь необходимо использование всего арсенала биологических, агротехнических и иных средств. При недостаточной площади листьев солнечная радиация поглощается далеко не полностью; при излишне развитой листовой поверхности отмечается то же явление, но вследствие взаимного затенения листьев (Мальцев, Каюмов и др., 2002).

При проведении многолетних полевых исследований в Брянской ГСХА установлено, что основные показатели фотосинтетической деятельности по целому ряду культур приближаются к оптимальным величинам при возделывании их в условиях серых лесных почв по альтернативной технологии (при ограниченном применении минеральных удобрений, пестицидов) и биологической технологии (без использования средств химизации) (табл. 4).

Так, ассимиляционная площадь листьев у зерновых в микрофазу 10.2 (начало колошения) составляла 35,8-50,3 тыс. м /га. Фотосинтетический потенциал посевов зерновых культур был несколько ниже оптимума, тоже можно отметить по чистой продуктивности фотосинтеза, однако выход зерна на 1000 единиц ФПП был достаточно высоким: 2,5-2,6 кг у озимой пшеницы и овса, а у ячменя он возрастал до 4,8-5,6 кг на 1000 единиц ФПП.

4. Фотосинтетическая деятельность посевов сельскохозяйственных культур в условиях биологизации земледелия

Озимая пшеница Московская 70 Ячмень Прима Белоруссии Овес Скакун Картофель Невский

Показатели альтер биолог альтер биолог альтер биолог альтер биолог

нативн ическа нативн ическа нативн ическа нативн ическа

ая я ая я ая я ая я

технол технол технол технол технол технол технол технол

огия огия огия огия огия огия огия огия

Максимальная

площадь 50,3 35,8 48,1 38,8 46,1 36,8 40,3 39,9

листьев, тыс.

м2/га

Фотосинтетиче 1638 1206 1894 1460 1592 1245 3762 3726

ский потенциал

посевов, тыс. м2/га-дней

Чистая продуктивност ь фотосинтеза, г/м2 в сутки 5,6 9,2 4,7 4,4 5,3 8,4 5,5 5,6

Выход продукции на 1000 единиц ФП, кг 2,5 2,6 5,6 4,8 2,6 2,4 - -

В тоже время, достижение программируемого уровня урожайности полевых культур возможно было на вариантах с применением расчетных норм минеральных

удобрений в технологии - (КРК)120+П (табл. 5), что подтверждает действие закона лимитирующего фактора в полевых условиях.

5. Урожайность полевых культур плодосменного севооборота

в зависимости от применяемых технологий возделывания, ц/га

Технологии возделывания Годы

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 средн

1. Однолетние травы - викоовсяная смесь на зернофураж вика сорт Людмила, пелюшка сорт Малиновка

1. Интенсивная (КРК)120+П 42,0 40,1 42,1 45,6 49,3 49,9 45,1 44,5 44,8

2. Переходная к альтернативной (КРК)90+П 38,3 37,2 39,4 43,3 47,4 48,3 43,2 42,0 42,4

3. Альтернативная (КРК)60+П 36,7 35,8 38,2 39,4 45,3 46,1 39,1 38,3 39,9

4. Биологическая без КРК, П 25,5 24,3 26,5 25,6 25,6 29,0 26,6 25,7 26,1

2. Озимая пшеница сорт Московская 39

1. Интенсивная (КРК)120+П 48,6 53,8 52,0 54,9 41,3 54,9 45,9 57,2 51,1

2. Переходная к альтернативной 51,5 50,2 52,8 49,3 41,5 49,3 41,2 51,3 48,4

(КРК)90+П

3. Альтернативная (КРК)60+П 50,3 48,8 49,3 44,1 39,5 44,1 35,2 46,3 44,7

4. Биологическая без КРК, П 37,6 37,4 36,9 30,3 27,3 30,3 26,6 32,9 32,4

3. Картофель сорт Невский

1. Интенсивная (КРК)120+П 375 310 468 476 454 615 480 418 449,5

2. Переходная к альтернативной (КРК)90+П 348 276 386 427 418 577 443 375 406,3

3. Альтернативная (КРК)60+П 295 245 403 452 437 445 425 354 382,0

4. Биологическая без КРК, П 206 177 228 280 210 295 272 220 236,0

5. Яровая пшеница сорт Лада в 2000-2002 гг. , сорт Дарья в 2003-2008 гг.

1. Интенсивная (КРК)120+П 28,2 34,2 44,1 43,1 42,2 49,4 43,5 48,3 41,6

2. Переходная к альтернативной (КРК)90+П 31,5 34,8 38,8 37,9 39,5 46,2 40,6 45,7 39,4

3. Альтернативная (КРК)60+П 23,5 35,6 34,2 33,0 34,2 43,0 38,2 43,4 35,6

4. Биологическая без КРК, П 23,0 32,3 26,6 20,5 20,3 34,8 30,8 35,4 28,0

Примечание. П - пестициды (по схеме опыта),

Полученные данные могут быть использованы для совершенствования технологий возделывания сельскохозяйственных культур и для расчета возможных урожаев зерна и другой продукции растениеводства по выходу их на 1000 единиц ФПП.

Управление формированием урожая весьма сложно, так как растения в агроценозе, изменяясь в процессе вегетации, взаимодействуют с другими сложными системами -микроорганизмами почвы, возбудителями болезней, сорняками, вредителями. Процесс формирования урожая необходимо вести на основе систематического контроля за развитием растений и направлением хода фотосинтеза. На основании анализа агроклиматических условий зоны, необходимо подбирать для возделывания такие сорта культур, которые наиболее адаптированные, экологически пластичные, с высоким генетическим потенциалом продуктивности (Образцов, 2001).

ВЫВОДЫ

1. Программирование урожайности культур показало, что сумма приходящей фотосинтетически активной солнечной радиации в юго-западной части Центрального

региона может обеспечить достаточно высокий его уровень: для яровых зерновых 53,4 -66,2 ц/га зерна, озимой пшеницы - 72,2 зерна, картофеля - 563,2 ц/га клубней.

2. Наиболее целесообразным показателем для оценки продуктивности сельскохозяйственных растений является биоклиматический потенциал территории, поскольку он в комплексе учитывает приход ФАР, накопленную сумму эффективных температур и запасы продуктивной влаги за период вегетации культуры. В условиях Центрального региона России большинство абиотических факторов (температура и осадки), определяющих рост, развитие растений и урожай в полевых условиях не подлежат регулированию, поэтому могут стать лимитирующими.

3. Биоклиматический потенциал юго-западной части Центрального региона способен обеспечить формирование урожайности зерна озимой пшеницы на уровне 64,7 ц/га, яровой пшеницы - 49,5 ц/га, ярового ячменя - 50,1 ц/га, овса - 57,3 ц/га, картофеля -429 ц/га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

При возделывании полевых культур необходимо обеспечивать оптимальную структуру посева, поскольку это позволяет повысить коэффициент использования ФАР посевами. Повышение этого коэффициента на 0,5 % способствует увеличению урожайности зерна озимой пшеницы на 18 ц/га, яровой пшеницы - 14 ц/га, ярового ячменя - 13,3 ц/га, овса - 16,5 ц/га и картофеля - 80,5 ц/га. Поэтому, в агроценозах следует создавать наиболее оптимальные условия для жизнедеятельности посевов, чтобы они могли поглощать энергию солнца с достаточно высоким коэффициентом полезного действия для создания наибольшей биомассы и сосредоточения ее в хозяйственно ценной части урожая.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каюмов, М. К. Программирование урожаев / Каюмов М. К. - М.: Московский рабочий. - 1981. - 160 с.

2. Каюмов, М. К. Справочник по программированию урожаев / Каюмов М. К. - М.: Россельхозиздат. - 1982. - 186 с.

3. Косьянчук, В.П. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур / Косьянчук В.П., Мальцев В.Ф., Белоус Н.М., Ториков В.Е. - Брянск: издательство Брянской ГСХА. - 2004. - 170 с.

4. Мальцев, В.Ф. Система биологизации земледелия Нечерноземной зоны России. Часть 2 / Мальцев В.Ф., Каюмов М.К. и др. - Москва: ФГНУ «Росинформагротех». - 2002. - 573 с.

5. Методическое руководство по составлению региональных рекомендаций по программированию урожаев сельскохозяйственных культур. - Л.: ВАСХНИЛ. - 1982. - 44 с.

6. Муха, В.Д. Основы программирования урожайности сельскохозяйственных культур / Муха В.Д., Кочетов И.С., Муха Д.В., Пелипец В.А. - М.: Изд-во МСХА. - 1994. -252 с.

7. Ничипорович, А.А. Фотосинтез и теория получения высоких урожаев / Ничипорович А.А. // Тимирязевские чтения. Изд. АН СССР. - 1956. - 150 с.

8. Ничипорович, А.А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности / Ничипорович А.А. // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. - М. - 1972. - С. 511-527.

9. Образцов, А.С. Потенциальная продуктивность культурных растений / Образцов А С. - М.: ФГНУ «Росинформагротех». - 2001. - 504 с.

10. Павлова, М.Д. Практикум по агрометеорологии / Павлова М.Д. - Ленинград: Гидрометеоиздат. - 1984. - 183 с.

11. Посыпанов, Г.С. Растениеводство / Посыпанов Г.С., Долгодворов В.Е., Коренев Г.В. и др. - М.: Колос. - 1997. - 447 с.

12. Саранин, Е.К. Биологизация земледелия. Теория и практика / Саранин Е.К. - М.: АОЗТ «ИКАР». - 1996. - 130 с.

13. Саранин, Е.К. Экологическое земледелие / Саранин Е.К. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН. - 1994. - 72 с.

14. Тооминг, Х.Г. Солнечная радиация и формирование урожая / Тооминг Х.Г. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1977. - 197 с.