Оценка транспирации посевов зерновых культур опытного поля БГСХА

УДК 631.4:551.5

ОЦЕНКА ТРАНСПИРАЦИИ ПОСЕВОВ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ОПЫТНОГО ПОЛЯ БГСХА

Пакшина С.М., д.б.ч., профессор Колыхалина А.Е., аспирант

ФГБОУ «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

В работе показано, что формула Пенмэна (1972) для расчетов транспирации растений адекватно отражает процесс транспирации зерновых культур в полевых условиях. Результаты расчетов по формуле совпадают с литературными данными.

Ключевые слова: транспирация, зерновые культуры, формула Пенмэна.

Введение. Процесс испарения влаги растениями в атмосферу в период их жизнедеятельности называется транспирацией. Одновременно протекающие процессы транспирации и физического испарения влаги из почвы и задержанных на поверхности растений осадков после выпадения объединяются в понятие «суммарное испарение» или эвапотранспирация. Суммарное испарение (()с) определяется по данным экспериментально-полевых исследований и рассчитывается по формуле:

<}с = «}о - Ок)+Ев Н, ММ

где 0к - запасы влаги соответственно в начале и конце вегетации, Н - сумма осадков за период вегетации.

Для того, чтобы определить транспирацию растений, необходимо исключить физическое испарение влаги из почвы и испарение влаги с поверхности растений после выпадения осадков. Это условие достигается при постановке лизиметрических или вегетационных опытов, а также в лабораторных условиях со срезанными частями растений. Поэтому для описания процесса транспирации растений в полевых условиях предложено несколько моделей [1, 2, 3].

В математической модели, представленной в работе [1], интенсивность процесса транспирации равна разности плотностей пара на испаряющей поверхности листа и в окружающем воздухе, деленной на сумму сопротивлений при движении водяного пара через пограничный слой воздуха и устьицу на нижней стороне листьев. Причем, для расчета сопротивления устьиц движению водяного пара (г.,) используется эмпирическая формула, описывающая зависимость г, от интенсивности ФАР и водного потенциала листа [1]. В работе

In the given article the results of calculations of grain crops transpiration based on Penman's formula (1972) are presented. The results of calculations hâve been confirmed by literature data.

Key words: grain crops, transpiration, Penman's formula.

[1, стр.187] отмечается, что «непосредственная экспериментальная проверка модели в настоящее время не представляется возможной из-за отсутствия соответствующих комплексных экспериментов».

В работе [2] описана модель, согласно которой транспирация зависит от радиационного баланса у поверхности растительного покрова, теплообмена в почве, влажности, плотности и температуры воздуха, скорости ветра на высоте 2 м над поверхностью посева, влажности почвы, относительной площади листьев в период вегетации. Для расчетов транспирации по этой модели требуется непосредственное определение необходимых параметров в посевах культур.

В работе [3] описана модель транспирации, которая построена на данных опыта и теоретических предпосылках, согласно которым доля солнечной радиации, поглощенной растением, составляет около 40% радиационного баланса. Из этой доли только приблизительно 1% фиксируется в сухом веществе в процессе фотосинтеза. Формула для расчета транспирации имеет следующий вид:

ХвЕт =0,4 Кфар ХвВс /L,

где Хв Вс - сумма суточных значений радиационного баланса, МДж/м2; Кфар - коэффициент использования фотосинтетически активной радиации (ФАР), %; L - удельная теплота парообразования при температуре воздуха в период вегетации, Дж/кг.

Целью работы является исследование пригодности формулы (2), не требующей проведения дополнительных экспериментов по определению входящих в ее величин, для расчетов транспирации зерновых культур в полевых условиях.

Объекты и методы исследования. Исследования проводили на стационарном полевом опыте Брянской ГСХА в следующие годы: 2008, 2009. 2011 и 2012 годы. Для исследования были выбраны 4 делянки многолетнего опыта. Делянки опыта отличались друг от друга по видам и нормам вносимых органических и минеральных удобрений: 1 - ^РК)т„+ЗУ+С; 2 - ^РК)тц1+Н; 3 - (№К)тт+Н+ЗУ+С; 4 - Н+ЗУ+С. Здесь, 0^РК)тах . норма минеральных удобрений (нитрофоска 12:12:12). рассчитанная на максимальный урожай культуры. (№К)ти]. ^РК)тт - сниженные расчетные нормы ^К.В качестве зеленого удобрения (ЗУ) использовалась озимая рожь (10-12 т/га. ЫпРбКто). Солома (С) вносилась в измельченном виде, как удобрение, нормой 5 т/га сухой органической массы (М^Р^К*,). Перепревший навоз (Н) вносился под пропашные культуры (кукуруза на силос, картофель) в нормах соответственно 40 и 50 т/га (Т^во-ггоРясмооКзоо-2бо) Эта система удобрений была разработана В Ф Мальцевым |4]. Нитрофоску вносили локально на глубину 6 - 8см сеялкой СЗ - 3.6 после предпосевной обработки.

В 2008 году объектом исследования служил яровой ячмень, в 2009 - гречиха, в 2011 и 2012 -озимая рожь Нормы минеральных удобрений составляли: ПОД ЯрОВОЙ ЯЧМСНЬ - ^РК)|20. (МРК)бО,

(№К)зо. ^РК)„; под гречиху - ^РК.)*,. (№К)60, ПОД озимую рожь — N17з(РК) 130? 1%5(РК)7и, ^5(РК)„. ^РК)„. Площадь каждой делянки равнялась 237.6м" (22,0x10.8).

Почвы опытного участка представлены серой лесной легкосуглинистой на лессовидном суглинке и имеют следующее строение профиля: АП11х (0-20). А,А2 (20-40). А:В, (40-50), В, (50-70). В: (70-90). С (>90 см) [5]. Горизонт А, имеет серый цвет. А] А; осветлен из-за наличия аморфного кремнезема. А;В, включает белёсые пятна аморфного кремнезёма и имеет серо-бурую окраску. Горизонты В, и В; имеют бурую окраску. С глубины 90см начинается материнская порода. лёссовидный суглинок, буровато-палевого цвета. Вскипание с глубины 180см.

Углы наклона поверхности поля составляют 0.5 - 1.4". Коэффициенты фильтрации (Кф) по профилю почвы изменяются в интервале 1*10 "-И*10 7м/с. Запасы влаги при предельной полевой влагоемкости (ППВ), влажности разрыва капиллярной связи (ВРК) и влажности завядания (ВЗ) в метровом слое почвы составляют соответственно 290. 190 и 80мм. Накопление влаги в метровой толще почвы до ППВ и сверх ППВ наблюдается только в осенне-зимне-весенний период.

В период исследований внутрипочвенный инфнльтрацнонный сток колебался в широком интервале значений (100-И00 мм) в зависимости

от формы микрорельефа. В конце вегетации запасы влаги в метровом слое почвы за редким исключением были приблизительно равны верхнему пределу оптимальной влажности. Однако в отдельные фазы развития растений запасы влаги опускались ниже ВРК.

Полевые исследования включали отбор образцов почвы в каждом слое, равном 10см. до глубины 1м по фазам развития растений на каждом варианте и фенологические наблюдения. Во всех образцах почвы были проведены агрохимические анализы по общепринятым методикам. Суточные значения прямой (Б'), рассеянной (Э), отраженной радиации (Я0 и радиационного баланса (Вк) вычислялись по данным срочных наблюдений, имеющихся на Метеостанции БГСХА. так как на станции расчеты суточных значений радиации не проводятся [6|.

В период вегетации на Метеостанции БГСХА актинометрическис наблюдения проводят 5 раз в сутки: в 8, II, 14, 17, 20 часов по местному времени. Расчет суточных сумм 8'. О. Як проводился по методу трапеций:

+ + + + 180 + ^!.г,,

где N1, N2, N3, N4, N5 - показания актино-метрических приборов соответственно в 8. 11, 14. 17 и 20 часов, кал/см" мин. ^ = 8 - Ь = I, - 20. Здесь. 1В и соответственно восход и заход солнца по местном> времени |7].

Положительные дневные суммы радиационного баланса находились по формуле:

1сВк=£с

Для расчётов суточных сумм радиационного баланса £с В (£с В = Вк - В ) использовались эмпирические коэффициенты, рассчитанные по данным, приведенным в работах [9|. Эмпирические коэффициенты учитывают снижение величины В по сравнению с величиной Вк. вызванные отрицательными значениями сумм радиационного баланса (-£с В ) от захода до восхода солнца, когда измерения длинноволновой радиации на Метеостанции БГСХА не проводятся |6].

По данным работы [8] коэффициенты для апреля, мая. июня. июля, августа, сентября составили соответственно 0.81; 0.88; 0.91; 0.90; 0.83; 0.70. поданным работы [9] - 0.73; 0.87; 0.90; 0.90; 0.86; 0.71. Первый и второй ряды получены соответственно по данным Метеостанции Москва и Метеорологической обсерватории МГУ. При расчетах сумм суточных значений радиационного баланса использовался ближайший по времени исследований второй ряд.

Суточные значения ФАР рассчитывались по формуле:

1с

Для расчетов испаряемости (Е0) использовалась формула М.И. Будыко (1955):

Е0 = В/Ц

где Ь - удельная теплота парообразования [11]. При выборе значений Ь учитывалась температура воздуха. В таблице 1 приведены средние значения температур воздуха в период вегетации. Значение Ь в 2009г. составляло 2453 кДж/кг, тогда как в другие годы - 2466 кДж/кг.

Коэффициенты транспирации и эвапотранс-пирации (расход воды на единицу абс.-сухой массы зерна) рассчитывались по формуле:

Таблица 1 - Метеорологические условия в период вегетации зерновых культур

в 2008 -2009, 2011 -2012 гг.

Год Культура е, с Период вегетации, декада, месяц х.я, мм Y,eB с , МДж/м2 У Е ММ КУ Дефицит влаги, мм

2008 Яровой ячмень, сорт «Гонар» 14,9 3.IV- 1.VIII 185.8 1111 451 0,41 -265,2

2009 Гречиха, сорт «Деметра» 17,9 l.VI- 1.IX 301.1 653 266 1,13 +35,1

2011 Озимая рожь, сорт «Пурга» 15,5 l.IV- 1.VIII 315.6 900 365 0,86 -49,4

2012 Озимая рожь, сорт «Пурга» 16,1 l.IV- 1.VIII 328.6 1000 408 0,81 -77,4

Примечание: £в Вс - сумма суточных значений радиационного баланса за период вегетации, Н - сумма суточных значений осадков за вегетацию, ^в Е0 - сумма суточных значений испаряемости за вегетацию, t°, С - средняя температура воздуха в период вегетации, КУ = Н/£в Е0 - коэффициент увлажнения.

Как следует из таблицы 1, коэффициент режим, обильные осадки в течение вегетации увлажнения (КУ) в годы исследований изменялся (315,6мм) восполнили весенние запасы влаги, что в широком интервале значений: 0,41-1,13. Отсю- повлияло на урожайность озимой ржи. Урожай да следует, что в 2008 году культуры выращива- зерна озимой ржи на первом и четвертом вариан-лись в засушливых условиях, в 2009 году - в тах составил соответственно 55,0 и 40,8ц/га. условиях избытка влаги, тогда как в2011и2012 В 2012 году максимальные весенние запасы гг. в оптимальных для роста и развития условиях, влаги (333 мм) и обильные осадки (328,6 мм), не-Весенние запасы влаги в метровом слое почвы в смотря на высокую испаряемость (447,9 мм), по-2008, 2009, 2011, 2012 гг. составили соответ- влияли на урожайность по сравнению с 2011 го-ственно 329; 216; 240; 333 мм. дом только на четвертом варианте. Урожай зерна

В 2009 году гречиха выращивалась в услови- озимой ржи на первом варианте составил 57,0ц/га, ях промывного водного режима почвы (КУ = на четвертом - 34,Оц/га [14].

1,13), низкой испаряемости (266мм), пониженной В таблице 2 представлены данные суммар-

по сравнению с другими годами величиной ФАР. ного испарения Ес), затрат солнечной энергии Запасы почвенной влаги сверх 1111В резко снизи- на испарение такого количества воды, а также ли урожайность культуры. На первом варианте отношение затрат солнечной энергии к погло-урожай зерна составил 16,3ц/га, тогда как на чет- щенной (£в QC3/£b Qk) и суммарной радиации (£в вертом - 10,Оц/га [13]. Qc/L< QHp

В 2011 году сложился наиболее благоприятный

Кэт =£в Ее/У, Кт=£в Ет/У

Здесь У - урожай абс.- сухой массы зерна.

Коэффициент использования посевами ФАР (Кфар) рассчитывался по формуле:

кфар = у*ч*100/1вдф,%

где У - урожайность абс. - сухой массы зерна, кг/га; д - калорийность зерна, Дж/кг; X и 0 ф -сумма фотосинтетически активной радиации за период вегетации, Дж/га [12].

Результаты и обсуждения. В таблице 1 приведены некоторые данные метеорологических условий в период вегетации зерновых культур.

Таблица 2 - Затраты солнечной энергии (<3С)) на суммарное испарсннс влаги из почвы

Год X» Ее, мм 1,<2сЛ.1012,Дж'га 1.0к*1012. Джга I.Qc, I.Q«, % Дж/га I.QtJ V.Q^ %

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

2008 304 338 283 257 7.49 8.33 6.97 6.33 12.84 58 65 54 49 14.55 51 57 48 43

2009 266 266 266 266 6.53 6.53 6.53 6.53 7.36 89 89 89 89 9.00 82 82 82 82

2011 367 352 344 330 9.04 8.67 8.48 8.13 10.46 86 83 81 78 12.76 71 68 66 64

2012 408 408 408 408 10.05 10.05 10.05 10.05 11.59 87 87 87 87 13.70 73 73 73 73

Примечание: X« Ес - суммарное испарение: £„ 0СЗ - затраты солнечной энергии на испарение количества воды, равного Ес; Рк - поглощенная радиация: ]ГВ - интегральная (суммарная радиация): 1, 2. 3, 4 - варианты опыта.

Из таблицы 2 следу ет, что в 2009 и 2012 годах суммарное испарение равнялось испаряемости. а гречиха и озимая рожь выращивались при избыточном и достаточном увлажнении почвы на всех вариантах. В этих условиях на суммарное испарение затрачивалось 87% - 89% поглощенной радиации

В 2008 и 2011 годах затраты солнечной энергии на суммарное испарение уменьшаются от первого к четвертому варианту или по мере снижения дозы минерального удобрения. В засушливый 2008 год затраты солнечной энергии на суммарное испарение значительно снижены и составили от 49 % до 58 % поглощенной радиации.

В 2011 году, также как в 2008 году, затраты энергии на суммарное испарение снижаются по мере уменьшения дозы удобрений от 86% до 78% поглощенной радиации.

Затраты солнечной энергии на суммарное испарение по сравнению с су ммарной интегральной радиацией были несколько меньше и составили для озимой ржи в среднем 70%. Следовательно. только на транспирацию должна расходоваться значительно меньшая часть солнечной энергии.

Рассчитаем по формуле (2) расход воды на транспирацию. В таблице 3 приведены значения коэффициентов использования ФАР культурами на разных вариантах. Как следует из таблицы 3, К фор имеет значения от 0.34 % до 1.52 %. Самос низкое значение КфЛр получено для гречихи при избытке влаги в почве и недостатке элементов питания. Самое высокое значение (1.52 %) получено при оптимальном содержании продуктивной влаги и достаточном количестве элементов питания.

Таблица 3 - Рассчитанные значения коэффициента использования ФАР (К|>ар) посевами зерновых культур в 2008 - 2009 и 2011-2012 гг.

Год Культура Урожай массы абс.-сухого черна, т/га МДж/м2 4= МДж/кг Кфар, %

1 2 3 4 1 2 3 4

2008 Яровой ячмень, сорт «Гонар» 2,85 2,81 2,56 1,85 653 19,5 0,85 0,84 0,77 0,55

2009 Гречиха, сорт «Деметра» 1,40 2,32 1,47 0,86 456 18,2 0,56 0,93 0,59 0,34

2011 Озимая рожь, сорт «Пурга» 4,73 4,45 4,11 3,51 628 20,1 1,52 1,43 1,32 1,13

2012 Озимая рожь, сорт «11урга» 4,90 4.82 4,39 2,92 699 20,1 1,41 1,39 1,26 0,84

Примечание: q - калорийность зерна

12]. Данные урожайности взяты из работ 115. 13,

В таблице 4 представлены рассчитанные по формулам (2) и (7) величины транспира-ции, коэффициентов транспирации и эвапо-транспирации.

Таблица 4 - Рассчитанные величины транспирации. коэффициентов транспирации и эвапотранспирации

Примечание: Ет - величина транспирации за вегетацию: X» Ес - суммарное испарение (физическое испарение + транспирации) за вегетацию: Кт - коэффициент транспирации: К>т - коэффициент эвапотранспирации: 1. 2. 3. 4 - варианты опыта.

Год Культура L. Ет- мм 1ьЕ,/ХвЕс. % К,

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

2008 Яровой ячмень 153 151 139 99 50 45 49 38 537 537 543 535 1067 1203 1105 1389

2009 Гречиха 60 99 63 36 25 37 24 14 429 427 429 419 1900 1147 1809 3093

2011 Озимая рожь 222 209 193 165 60 59 56 50 469 470 470 470 776 791 837 940

2012 Озимая рожь 228 225 204 136 56 55 50 33 465 467 465 466 833 846 929 1397

Как следует из таблицы 4. величина транспирации снижается при всех режимах увлажнения по мере снижения дозы минеральных удобрений. Транспирацня озимой ржи в 2011 и 2012гг. составила в среднем соответственно 56% и 48% от эвапотранспирации. ярового ячменя -45 %. гречихи, выращенной при пере\ влажней и и почвы. - 25 %. При оптимальном водном и питательном режимах доля транспирации озимой ржи составила 60% от суммарного испарения, тогда как при недостатке элементов питания - 50%.

Как следует из таблицы 4. коэффициент транспирации не зависит от доз удобрений и определяется биологическими особенностями культуры. Величина Кт для ярового ячменя, озимой ржи и гречихи составила соответственно

Как видно из рисунка, рассчитанные по формуле (2) значения транспирации и экспериментальные данные урожайности озимой ржи. полученный за период 2008-2012 гг. подчиняются линейной зависимости:

У=1.534х+0.172

538. 426 и 468. Коэффициент транспирации для ячменя, гречихи и озимой ржи в среднем по вариантам соответственно в 2.2; 4.2; 4.3 раза меньше. чем коэффициент эвапотранспирации.

Такие же значения отношения Кэт/Кт приводятся в работе 116|.

Расход поглощенной радиации (XbQk) на транспирацию посевов ярового ячменя (2008). гречихи (2009). озимой ржи (2011, 2012гг) на разных вариантах изменяется в следующих интервалах значений соответственно: 19-29; 12-22; 39-52; 29-49%. Полученные значения совпадают с данными работы [16]. На рисунке приведены графики зависимости урожая (У. т/га) озимой ржи сорт «Пурга» от суммарной транспирации (Ir ЕГ).

Коэффициент детерминации (Я ) составил 0.925, что означает 92,5 % - ную зависимость урожая от транспирации. Независимый коэффициент 1.534 показывает, что при изменении транспирации на 1 кт/га (100 мм) испарившейся влаги урожайность озимой ржи (сорт «П\рга») изменяется на 1.534 т/га. отсюда, транспнрацн-онный расход воды на биосинтез 1 т зерна составляет 65 мм/т.

Рис. Зависимость урожая (У. т/га) озимой ржи от суммарной транспирации (£в Ег. кт/га),

у=1.534х+0,712. Я2=0.925, г=0,962

Формулу (9) можно использовать для предварительной оценки минимального урожая зерновых культур, выращиваемых на опытном поле БГСХА. Для зерновых культур краткосрочный прогноз можно составлять после прохождения фазы колошения. Например, в 2012 году после окончания фазы колошения (30 июня) величина У„ Вс составила 804 МДж/м". В соответствии с формулой (2) величина Еп при минимальном (1%) и максимальном (1,5%) использования ФАР составляет соответственно 130мм и 196мм. Величина минимального урожая, рассчитанная по формуле (9) для озимой ржи. будет составлять 2,34+3,50 т/га абсолютно - сухого зерна или при влажности 14% - 2,7+4,0 т/га. Полученные значения У совпадают со урожайностью озимой ржи на варианте без применения минеральных удобрений.

Выводы. Результаты экспериментально -полевых исследований, представленные в таблицах 1-4 и на рисунке, позволяют сделать следующие выводы:

1. Результаты расчетов транспирации по эмпирической формуле Пснмэна (1972). проведенные в широком диапазоне влажности почвы и дозы внесения минеральных удобрений подтверждаются данными коэффициентов транспирации зерновых культур.

2. Показано, что в условиях Брянской области расход поглощенной радиации (XuQ*) на транспирацию посевов ярового ячменя, озимой ржи и фечихи изменяется в широком интервале значений (14+67%) в зависимости от водного, питательного режимов почвы и поглощения ФАР растениями.

3. Показано, что в условиях Брянской области при достатке влаги и элементов питания Кфаг по зерну может превышать 1% и достигать 1,52% для озимой ржи (сорт Пурга).

4. Установлена линейная зависимость между урожайностью зерновых культур в разные годы и суммарной транспирацией (£в Ег). котору ю можно использовать урожайности для составления краткосрочных прогнозов.

Список литературы 1. Бихсле, З.Н., Мол-дау, Х.А.. Росс, Ю.К. Математическое моделирование транспирации и фотосинтеза растений при недостатке почвенной влаги / З.Н. Бихеле, Х.А. Молдау. Ю.К. Росс // Ленинград.: Гидрометеоиз-дат, 1980.-223с.

2. Джоган. Л.Я. Расчеты испарения и оценка орошаемых норм для посевов хлопчатника / Л.Я Джоган // Физика почвенных вод, М.: «Мир», 1972.-с. Ill - 123.

3. Пенмэн, X. Круговорот воды / X. Пенмэн // Биосфера. М.: «Мир», 1972. - с. 60 - 72.

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

5. Классификация и диагностика почв СССР // М : Колос, 1977. - 223 с.

6. Агрометеорологический бюллетень // Метеостанция БГСХА. с. Кокино. 2008 - 2009. 2011 -2012гг.

7. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. -Л.: Гидромстсоиздат. 1973.

8. Пивоварова. З.И. Радиационная характеристика климата СССР/3.И. Пивоварова // Л.: Гидромстсоиздат, 1977.- 335с.

9. Абакумова, Г.М., Горбаренко. ЕВ Незваль, Е.И.. Шиловцсва. O.A. Климатические ресурсы солнечной энергии Московского региона/Г.М. Абакумова. ЕВ Горбаренко. Е.И. Незваль. O.A. Шиловцсва // М.: Книжный дом «Либроком», 2012. - 312 с.

10. Чирков. Ю.И. Агрометеорология. /Ю.И. Чирков//Л.: Гидромстсоиздат, 1986. -296с.

11. Будыко. М.И. Об определении испарения с поверхности суши/ М.И. Будыко // Метеорология и гидрология, 1955. №1. - С.52 - 58.

12. Пономарев. A.B.. Пономарева. З А.. Ка-юмов. М.К. Использование фотосинтетически активной радиации полевыми культурами в севооборотах . - Математические модели программирования/A.B. Пономарев. З А. Пономарева. М.К. Каюмов // М.: Колос, 1978. - с. 83-93.

13. Селиванов E.H., Юдин, A.C. Влияние норм минеральных удобрений на урожайность и качество зерна гречихи/Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК: сб.статей. Брянск, 2012. С. 224-228.

14. Малявко, Г.П. Эколого - агрохимическое обоснование технологий возделывания озимой ржи на юге-западе России /Г.П. Малявко // Автореферат д.с.-х.н. Брянск.: 2009.-е. 41.

15. Шатилов, И.С. Водопотреблснис и транспирация растений в полевых условиях. -Математические модели программирования. /И С. Шатилов//М.: Колос. I978.-C.62-63.