Исследование влияния гидрометеорологических факторов на урожайность озимой ржи

УДК 551.4:631.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА УРОЖАЙНОСТЬ ОЗИМОЙ РЖИ

С.М.ПАКШИНА, Г.П.МАЛЯВКО, Т.А.ШОХОВА ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

В работе рассмотрена зависимость урожайности озимой ржи от гидрометеорологических факторов. Показано, что при достатке продуктивной влаги и питательных элементов в почве максимизация урожайности достигается оптимизацией поглощения фотосинтетически активной радиации.

Ключевые слова: продуктивная влага, температура, относительная влажность воздуха, фотосинтетически активная радиация, урожайность, озимая рожь.

ВВЕДЕНИЕ

В литературе достаточно глубоко изучены процессы, которые имеют место в системе растение - почва - приземный воздух и определяют состояние сельскохозяйственного поля. Разработаны математические модели фотосинтеза, транспирации, продуктивности растений для описания зависимостей этих процессов от внешних факторов (солнечная радиация, температура, относительная влажность воздуха, скорость ветра, влажность почвы). Результаты численных экспериментов, полученные на основе моделей, включающих большое количество неизвестных параметров, позволили сделать ряд выводов общего характера о ходе реальных процессов [1,2].

Целью данной работы являлось исследование зависимости урожайности озимой ржи от гидрометеорологических факторов (запасы продуктивной влаги, температура и относительная влажность воздуха, фотосинтетически активная радиация) при достатке и недостатке питательных элементов и почвенной влаги на конкретном полевом экспериментальном материале. В данной работе не рассматривается влияние скорости ветра на урожайность озимой ржи из-за отсутствия данных о скорости ветра на высоте 2 м от поверхности почвы. На Метеостанции БГСХА скорость ветра измеряется только на высоте флюгера [3].

Исследования проводили на стационарном полевом опыте Брянской ГСХА, заложенном под руководством В.Ф.Мальцева в 1983 году (номер Государственной регистрации 046369). Опыт включал следующие варианты внесения органо-минеральных удобрений:

1 - (КРК)шах+ЗУ+С+П; 2 - (КРК)^+Н+П; 3 - (КРК)тш+Н+ЗУ+С+П; 4 - Н+ЗУ+С.

Здесь, (NPK)max, (NPK)mid, (NPK)min - соответственно дозы минеральных удобрений (нитрофоска 12:12:12), рассчитанные на максимальный (планируемый) урожай культуры, умеренные и минимальные на 1/3 от рассчитанных. В качестве зеленого удобрения (ЗУ) использовалась озимая рожь (10-12 т/га N12P6K20). Солома (С) вносилась в измельченном виде, как удобрение, нормой 5 т/га сухой органической массы (N25P12K40). Навоз (Н) в 1983-2000 гг. вносился под пропашные культуры (кукуруза на силос, картофель) в перепревшем виде в нормах соответственно 40 и 50 т/га (N180-220P80-100K200-260), а в 2001-2005 гг. под суданскую траву (40 т/га). Во время возобновления весенней вегетации на 1,2 и 3 вариантах проводилась подкормка аммиачной селитрой (N45), а в фазу выхода в трубку - внекорневая подкормка 20% раствором мочевины и микроэлементов. С 1983 по 2000 год озимая рожь возделывалась в восьмипольном, а с 2001 года в пятипольном плодосменном севообороте. Почвы стационарного полевого опыта представлены серыми лесными легкосуглинистыми на лёссовидных суглинках. Площадь каждой делянки составляла 22,0х10,8м (237,6 м ).

В декабре 2006г., а также в первые декады апреля и сентября 2007, 2008 и 2009 годов на делянках в двухкратной повторности отбирались образцы из каждого слоя почвы, равного 10 см, до глубины 1 м. В образцах определялись содержание питательных элементов и влажность почвы. Определение содержания подвижных форм фосфора и калия проводили по методу А.Т.Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91); обменного аммония фотометрическим методом с реактивом Несслера; нитратов - ионометрическим методом.

Почвенно-гидрологические исследования состояли из наблюдений за динамикой влажности почвы, определений объемного веса, максимальной гигроскопической влажности почвы (МГ), гранулометрического состава. Для определения объемного веса почвы на защитной полосе поля готовился шурф глубиной 1,5 м. Последовательно, до глубины 1 м в каждом слое, равном 10 см, буриком объемом в 10 см3, отбиралось 8 проб без нарушения структуры. После взятия проб почвы на определение объемного веса отбирались образцы почвы на определение гранулометрического состава пипеточным методом в варианте Н.А. Качинского.

По данным гранулометрического состава рассчитывалась удельная поверхность почвы, которая использовалась для расчетов максимальной гигроскопической влажности по формуле: S/Mr=10 [4]. Значение влажности завядания (ВЗ) принималось равным 1,5 МГ. При расчетах запаса продуктивной влаги общий запас влаги уменьшался на запас влаги при влажности завядания.

Оценку подекадных значений продуктивной влаги (Q) проводили по формуле:

Q = Qн + Н - Епо, мм ,

где Он - экспериментальные значения весенних запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы, мм; Н - подекадные значения осадков по данным Метеостанции БГСХА, мм; Епо -подекадные значения испаряемости, мм. Для расчета Епо использовалась формула М.И.Будыко (1956), которая имеет вид:

Епо = Я/Ь, мм,

где Я - радиационный баланс, кал/(см х декада), Ь - удельная теплота парообразования воды, равная 539 кал/см [5]. В работе [6] было показано, что формула (2) при использовании данных Метеостанции БГСХА обладает наибольшей точностью и воспроизводимостью результатов из наиболее известных формул.

Из культур севооборота в качестве объекта исследования была взята озимая рожь

Результаты исследования и их обсуждение. На рисунках 1А и 1Б представлены хронологические графики подекадных значений запасов продуктивной влаги в период вегетации озимой ржи соответственно в 2006-2007 и 2008-2010 годы. Согласно работе [7] максимальные урожаи зерновых культур создаются при запасе продуктивной влаги в метровом слое почвы равном 100-125 мм в фазы выход в трубку - цветение.

1А 1Б

0, мм 0. мм

V V VI VII V V VI VII VII

1 - 2006 г. 2 - 2007 г. 3 - 2008 г. 4 - 2009 г. 5 - 2010 г.

Рис. 1. Хронологические графики подекадных значений запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в течение вегетации озимой ржи, мм

Из рис.1А следует, что в 2006 и 2007 годах запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в фазы выход в трубку-цветение составили менее 100 мм.

В 2009 году озимая рожь развивалась в условиях избыточного увлажнения в фазы молочной и полной спелости, тогда как в фазы выход в трубку-цветение запасы продуктивной влаги были близки к 100 мм.

В 2008 году растения испытывали недостаток влаги фазы цветения-восковая спелость. В 2010 году наблюдалась почвенная засуха в фазу восковой спелости, а в фазу цветения запасы влаги составляли менее 100 мм.

На рисунках 2А и 2Б представлены хронологические графики подекадных значений температуры соответственно в 2006-2007 и 2008-2010 годы. Известно, что при средней суточной температуре воздуха, превышающей 18-200С, в умеренном климатическом поясе развитие культур замедляется [7].

2А

2Б

I, 0С

1111111111111

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 V V VI VII VIII

^ ОС

30

25

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 V V VI VII VIII

1 - 2006 г. 2 - 2007 г. 3 - 2008 г. 4 - 2009 г. 5 - 2010 г. Рис. 2. Хронологические графики подекадных значений запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в течение вегетации озимой ржи, мм

25

20

20

15

15

10

10

5

4

0

Из рис.2А и 2Б следует, что температура воздуха, превышающая 200С, наблюдалась в 2006 году в фазу молочной спелости, в 2007 году в фазы выход в трубку - цветение, а в 2010 году в фазу цветение - полная спелость.

Таким образом, благоприятный температурный режим для роста и развития озимой ржи сложился в 2006, 2008 и 2009 годах, неблагоприятный в 2007 и 2010 годах.

На рис.ЗА и 3Б представлены хронологические графики подекадных значений относительной влажности воздуха в 2006-2007 и 2008-2010 годы.

В 2006 г. только в первую декаду мая, когда озимая рожь находилась в фазе выхода в трубку, имел место большой дефицит влажности воздуха. В остальные фазы развития наблюдалась высокая относительная влажность воздуха.

В 2007 году в период вегетации озимой ржи имели место резкие колебания значений относительной влажности воздуха, которые находились в интервале значений 60^78%.

ЗА 3Б

%

100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -0 -

2

VII

1

VIII

-1-1-1—

3 1

2

VII

1

VIII

1 - 2006 г. 2 - 2007 г. 3 - 2008 г. 4 - 2009 г. 5 - 2010 г. Рис. 3. Хронологические графики подекадных значений запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в течение вегетации озимой ржи, мм

%

3

31

31

3 1

3 1

3 1

В 2008 году наблюдался резкий дефицит влажности воздуха во вторую декаду мая. В остальные фазы вегетации озимой ржи относительная влажность воздуха находилась в интервале значений 63^78%. В 2009 году в течение всего периода вегетации наблюдалась высокая относительная влажность воздуха, которая находилась в интервале 69^82%. Следует отметить, что в годы исследований относительная влажность воздуха не опускалась ниже 47%.

В 2010 году низкая относительная влажность воздуха (55%) наблюдалась в фазу выхода в трубку и в фазу молочной спелости.

Таким образом, самые низкие значения относительной влажности (47-57%) наблюдались в 2006 и 2010 годах, когда озимая рожь возобновила вегетацию весной и проходила фазу выхода в трубку.

На рисунках 4А и 4Б представлены хронологические графики подекадных значений фотосинтетически активной радиации (ФАР) в 2006-2010 годы, рассчитанные по данным Метеостанции БГСХА [1] и Обсерватории МГУ им. М.В. Ломоносова (2010 г.).

В 2006 году имели место самые высокие значения ФАР в период вегетации из 4 лет наблюдений. В 2007 году лишь в фазу колошения озимой ржи наблюдалось резкое повышение значений ФАР. 2008 и 2009 годы мало отличаются изменением значений ФАР в

течение вегетации. 2010 год отличался от всех предыдущих лет самыми высокими значениями ФАР в течение вегетации озимой ржи.

Для того, чтобы выявить влияние каждого внешнего фактора на урожайность озимой ржи, были рассчитаны суммы активных температур воздуха, средняя относительная влажность воздуха, сумма подекадных значений ФАР за период вегетации. Учитывая, что наиболее тесная связь урожаев зерновых с запасами влаги в метровом слое наблюдается в период

4А

4Б

ккал/см2

2,5 т

ккал/см2

3,5

1 2 3 1 2 31 2 31 2 3 1 2 3 IV V VI VII VIII

3 1 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 IX Х IV V VI VII VIII

1 - 2006 г. 2 - 2007 г. 3 - 2008 г. 4 - 2009 г. 5 - 2010 г. Рис. 4. Хронологические графики подекадных значений запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в течение вегетации озимой ржи, мм

2

3 -

,5

2,5 -

2 -

1,5 -

0,5

1 -

0,5 -

0

формирования элементов продуктивности колоса [ 7 ], были рассчитаны запасы продуктивной влаги в фазы выход в трубку - цветение. Кроме того, были рассчитаны запасы элементов питания в пахотном слое на начало весенней вегетации.

В таблице 1 представлены значения гидрометеорологических факторов за период вегетации и запасы питательных элементов в пахотном слое на начало весенней вегетации в разные годы. Из данных таблицы 1 следует, что в начале вегетации на всех вариантах растения были обеспечены калием и фосфором, но испытывали недостаток азота, который был пополнен подкормками на 1,2,3 вариантах.

Сопоставление значений £1>100С, Р, Q в разные годы с урожайностью (У) на четырех вариантах показывает, что наблюдаются линейные зависимости функций У(^1>100С) и У (Р). Максимальные урожаи озимой ржи создаются при запасах продуктивной влаги в фазы выход в трубку - цветение, равных 80-100 мм. Уменьшение и увеличение запасов продуктивной влаги в эти фазы сопровождается снижением урожайности.

Сопоставление значений XQфАР за период вегетации с урожайностью озимой ржи не выявило какой-либо зависимости. Как было показано в работе [1], поглощение солнечной радиации растениями зависит от влагозапасов почвы. Анализ данных таблицы 1 показывает,

что поглощение солнечной радиации зависит не только от запасов продуктивной влаги, но и запасов питательных элементов.

В таблице 2 приведены экспериментальные [8] и расчётные урожайности озимой ржи при различных значениях коэффициента использования ФАР на четырех вариантах. Расчёт урожайности проводился по следующей формуле:

Урас = КфАР *П*^фдр/&

Таблица 1

Значения гидрометеорологических факторов за период вегетации озимой ржи (апрель - 1 декада августа) и запасы питательных элементов

(кг/га) в пахотном слое на начало весенней вегетации в разные годы

Год £1>10°С Р, еофар, N03- NH4+ К+ Р2О5

% мм ккал/(см2) 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

2006 1664 74 80 19,5 - 13 19 21 25 25 23 27 308 720 603 524 495 998 1062 999

2007 1734 68 55 15,3 10 8 9 8 21 7 6 9 593 379 505 393 792 746 732 723

2008 1786 69 140 14,1 30 36 40 54 23 24 20 19 721 676 640 442 1126 1130 1331 964

2009 1832 71 100 13,5 9 10 12 16 17 18 17 17 646 631 570 569 765 783 781 809

2010 2255 68 160 29,8 10 11 11 10 - - - - 154 208 274 567 997 893 786 789

Примечание: ^>10°С - сумма активных температур, Р, % - относительная влажность воздуха, Q, мм - запасы продуктивной влаги в метровом слое в фазы выход в трубку - цветение, XQфАР, ккал/см2 - сумма фотосинтетически активной радиации за период вегетации.

Таблица 2

Экспериментальная [ 8 ] и расчётная урожайность озимой ржи при различных значениях коэффициента использования ФАР (К) на четырех

вариантах опыта

Год Урожайность, т/га Расчётная урожайность при разных значениях К

1 2 3 4 1,0 1,1 1,2 1,6 1,7 1,9 2,0 2,1 2,3 2,4 2,5 2,7 2,8 3,0 3,1 3,3 3,4

2006 5,36 5,01 4,01 3,58 3,64 4,28 5,14 5,35

2007 4,27 3,98 3,08 2,69 2,69 3,19 3,86 4,20

2008 4,68 4,81 4,17 3,09 3,1 4,18 4,65 4,80

2009 5,04 4,98 4,16 3,05 3,10 4,14 4,88 5,04

2010 4,02 3,69 3,56 3,07 3,28 3,61 3,93

где Урас - рассчитанное значение урожайности, КФАР - коэффициент использования ФАР, п - доля основной продукции в общей биологической массе, XQфАp - сумма фотосинтетически активной радиации за период вегетации, g - калорийность биомассы. Рассчитанные значения урожайности (Урас) озимой ржи находились при значениях п, g соответственно 0,5 и 4546 ккал/кг зерна [9].

Из данных таблицы 2 следует, что растения регулируют поглощение солнечной радиации в зависимости от запасов продуктивной влаги и элементов питания. В 2006 году на 1,2,3 вариантах максимизация урожайности достигается увеличением поглощения солнечной радиации. Уменьшение запасов питательных элементов на четвертом варианте при равных значениях и Q, приводит к уменьшению коэффициента

использования ФАР.

Недостаток продуктивной влаги, сложившийся в 2007 году, на четвертом варианте приводит к дальнейшему уменьшению поглощения солнечной радиации.

Увеличение запасов влаги в 2008 и 2009 годах в фазы выход в трубку - цветение по сравнению с 2006-2007 годами сопровождается увеличением поглощения солнечной радиации на всех вариантах. Вегетационный период 2010 года характеризуется самыми большими значениями ^>10°С и XQФAР. В этих условиях максимальное поглощение солнечной радиации может привести к перегреву и излишнему расходу влаги. Для уменьшения перегрева листьев растения снижают поглощение радиации и расход влаги, уменьшает транспирацию и соответственно урожайность. Известно, что между тепловым, водным и радиационным режимами существует определённая связь [1]. Поэтому при оптимальных запасах продуктивной влаги в фазы выход в трубку - цветение и питательных элементов максимальная урожайность достигается повышенными значениями коэффициента использования солнечной радиации. В этих условиях увеличивается расход воды на транспирацию.

При оптимальных запасах продуктивной влаги и недостатке азотного питания снижается поглощение растением солнечной радиации и уменьшается расход воды на транспирацию.

При недостатке запасов продуктивной влаги, азотного питания и экстремальном температурном режиме максимальная урожайность достигается минимальным поглощением солнечной радиации.

ВЫВОДЫ

Исследования зависимости урожайности озимой ржи от гидрометеорологических факторов, проводившиеся в 2006-2010 годах, позволяют сделать выводы:

1. Урожайность озимой ржи прямо пропорциональна средней относительной влажности воздуха и обратно пропорциональна сумме эффективных температур в течение вегетации.

2. Урожайность озимой ржи зависит от запасов продуктивной влаги в фазы выход в трубку - цветение. Оптимальные запасы находятся в интервале 80-100 мм, выше и ниже этого интервала наблюдается снижение урожайности.

3. Максимизация урожайности озимой ржи при достатке продуктивной влаги и элементов питания достигается макс] ;й поглощения солнечной радиации.

4. При недостатке продуктивной влаги, элементов питания и экстремальном температурном режиме максимизация урожайности озимой ржи достигается минимизацией поглощения солнечной радиации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бихеле, З.Н. Математическое моделирование транспирации и фотосинтеза растений при недостатке почвенной влаги / Бихеле, З.Н., Молдац Х.А., Росс Ю.К // Л.: Гидрометеоиздат. - 1980. - 323 с.

2. Нерпин, С.В. Энерго- и массообмен в системе растение-почва-воздух / Нерпин С.В., Чудковский А.Ф // Л.: Гидрометеоиздат. - 1975. - 358 с.

3. Агрометеорологический бюллетень. Метеостанция БГСХА, с.Кокино, 2006-2010 гг.

4. Пакшина, С.М. К вопросу об оценке удельной поверхности почвы / С.М. Пакшина // Почвоведение. - 1997- №5. - С.570-573.

5. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. - Л.: Гидрометеоиздат.-1956. - 255 с.

6. Пакшина, С.М. Использование данных Метеостанции БГСХА для оценки изменчивости урожайности культур, выращенных на опытном поле / С.М. Пакшина // Вестник «Брянская государственная сельскохозяйственная академия». - 2010. -№1- С.29-42.

7. Чирков, Ю.И. Агрометеорология /Чирков, Ю.И.// Л.: Гидрометеоиздат. - 1986. -296 с.

8. Малявко, Г.П. Эколого-агрохимическое обоснование технологий возделывания озимой ржи на Юго-Западе России / Г.П. Малявко // Автореф.дисс.на соиск.уч.степени д.сельхоз.наук. Брянск.- 2009. - 41 с.

9. Жданов, Н.Х. Рекомендации по программированию урожаев сельскохозяйственных культур в Башкирской АССР / Жданов Н.Х., Каюмов М.К // Уфа, Башкирское книжное издательство. - 1977. - 80 с.

THE INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF HYDROMETEOROLOQICAL FACTORS ON WINTER RYE YIELD

S.M. PAKSHINA, G.P. MALYAVKO, T.A. SHOKHOVA The Bryansk State Agricultural Academy

SUMMARY

In present research dependence of winter rye yield on hydrometeorological factors in considered.

It is shown that under an unlimited water and nutrient elements supply in soil maximizing of yield manifests itself in optimizing photosynthetically active radiation uptake

Key words: productive moisture, air temperature, relative air humidity, photosynthetically active radiation, yield, winter rye.