Kazan', Russian Federation
VAC 06.01.01 Общее земледелие, растениеводство
VAC 06.01.05 Селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
GRNTI 68.03 Сельскохозяйственная биология
GRNTI 68.29 Земледелие
GRNTI 68.35 Растениеводство
Carbon dioxide is absorbed by plants during photosynthesis and the intensity of this process depends on the solar radiation coming to this territory, the temperature regime, the availability of moisture and batteries. The amount of CO2 absorbed by plants is determined by the accumulated dry biomass or yield. The potential yield of field crops in production conditions is not always achieved. The paper presents the results of studies on the effect of calculated doses of mineral fertilizers on various types of soils with different moisture indicators on the formation of dry biomass by spring durum wheat. Field experiments were carried out on gray forest soils in 2005-2008, which occupy 43.7% of agricultural land in the Republic of Tatarstan and chernozems in 2001-2003, occupying 39.9%. The assimilation of mineral nutrition elements from soil and fertilizers by plants is influenced not only by the type of soil, but also by the availability of productive moisture. In the studies of 1984-1987, the effect of fertilizers and irrigation on the intensity of accumulation of dry biomass by spring durum wheat was studied. The use of calculated doses of mineral fertilizers on leached chernozems on average for 1984-1987 increased the accumulation of dry biomass of spring durum wheat by 45.6%, and in combination with irrigation by another 57.4%. In the experiments of 2001-2003, calculated doses of mineral fertilizers increased the accumulation of dry biomass by 20.7% on the chernozems of the Transcamian region of the Republic of Tatarstan, and by 13.6% on the gray forest soils of the Pre-Kama region in 2005-2008
plants, carbon, photosynthesis, CO2, dry matter, yield, direct radiation, scattered radiation
Введение. Для нормального роста растений и обеспечения их высокой продуктивности необходимы такие факторы, как свет, тепло, вода и пища. Вегетирующие растения необходимо обеспечить одновременно такими питательными элементами, как углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций, сера, железо. Сухое вещество растений состоит примерно на 45 % из углерода и 42 % из кислорода. Эти элементы питания растения берут из углекислого газа, входящего в состав атмосферы Земли. Таким образом, углекислый газ – это основная и самая концентрированная пища растений [1]. Целью наших исследований являлось определение накопления абсолютно сухого вещества и углерода в зависимости от использования расчетных доз минеральных удобрений и орошения на посевах яровой твердой пшеницы.
Условия, материалы и методы. Для обеспечения высокой продуктивности фотосинтеза необходимо постоянное движение масс воздуха и поступление углекислого газа к листьям в течении всего периода вегетации культуры. Перемещение воздуха в вегетирующем посеве при интенсивности фотосинтеза 20 мг СО2 на 1 дм2 в час и площади листьев 50 тыс. м2/га должно обеспечивать прохождение через зону стеблестоя на площади в 1 гектар около 1 млн м3 воздуха в 1 час и приток 500 кг СО2. Этого можно добиться путем формирования соответствующей структуры посевов, которая обусловлена способом посева, нормой высева и другими приемами.
В современном мире экологическая ситуация такова, что в крупных городах и центрах с развитой промышленностью выбросы в атмосферу СО2 выше, чем на остальной территории [2]. Для уменьшения его концентрации в атмосфере потребители углекислого газа – растения, которые в процессе фотосинтеза используют углерод и кислород СО2 для синтеза органических веществ, должны быть повсеместно. Чем интенсивнее будут протекать эти процессы, тем больше будет усваиваться углекислый газ [3, 10]. При этом следует учитывать, что из общего количества поступающей на земную поверхность солнечной радиации, спектр волн которой варьирует от 280 до 4000 нм, растения могут использовать только излучение в интервале от 310 до 710 нм, которое принято называть фотосинтетически активной радиацией (ФАР). В процессе фотосинтеза больше всего улавливаются сине-фиолетовые и оранжево-красные лучи, поглощение которых достигает 80…95 %. Волны желто-зеленого спектра поглощаются на 60…75 %, а дальнего красного и ближнего инфракрасного – на 5…15 %. Поглощается также часть невидимых лучей. Общее количество участвующей в фотосинтезе радиации в средних широтах в полдень доходит до 43…45 % от суммарной солнечной радиации. При восходе и на закате солнца величина этого показателя снижается до 10…20 % [4]. ФАР или суммарную радиацию (Q) разделяют на следующие виды: прямая (S') – часть лучистой энергии Солнца, поступающая к земле в виде параллельных лучей от его видимого диска; рассеянная (D) – часть солнечной радиации, которая после рассеивания атмосферой и отражения от облаков падает на горизонтальную поверхность. Энергия ФАР, зависящая от широты местности, времени года и суток, измеряется в кДж [5]. Например, в экваториальных тропических районах на 1 га поверхности земли за год поступает до 25…39млрд кДж, за полярным кругом – 5…6 млрд кДж. При этом в условиях Севера поступление ФАР за непродолжительный вегетационный период сравнительно высокое благодаря большей длительности светового дня. Для моделирования урожайности по приходу ФАР необходима информация о количестве поступающей солнечной энергии, которая служит энергетической основой фотосинтеза, транспирации, поглощения и передвижения элементов минерального питания и ассимилянтов, по конкретному региону [6]. Приход солнечной энергии формирует тепловой, водный и воздушный режимы почвы и растений в течение всей вегетации. Для приблизительных расчетов можно использовать материалы климатологических карт, в которых приводят данные по поступлению суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации на горизонтальную поверхность в действительных условиях облачности в среднем за месяц и вегетационный период. С целью оценки географического распределения месячных и годовых сумм продолжительности солнечного сияния по территории Среднего Поволжья построены 13 карт ее распределения, в основу которых положены среднемесячные значения продолжительности солнечного сияния по 37 станциям [7]. Уменьшение величины этого показателя на северо-западе региона обусловлено большей повторяемостью пасмурного неба. Наибольшее число часов с солнечным сиянием отмечается в июне–июле, наименьшее – в декабре. В приближенном выражении для расчета можно считать, что доля ФАР в интегральном потоке суммарной солнечной радиации составляет 0,5 не весь спектр солнечного света участвует в фотосинтезе (К – для рассеянной радиации 0,57; К – для прямой солнечной радиации 0,43):
QФАР = 0,43S' + 0,57D.
Используя данные таблиц 1 и 2 из справочника по климату можно рассчитать приход ФАР на единицу горизонтальной поверхности за месяц или за определенный период времени года для конкретного пункта региона [8, 9]. Для определения прихода ФАР в Предкамье РТ пользуемся данными по пункту актинометрических наблюдений Вязовые. Далее можно определить приход ФАР на единицу поверхности за период вегетации озимых или яровых культур, а также для каждой культуры и сорта в отдельности (табл. 3). Например: В условиях Предкамья РТ яровую пшеницу сеем в первой декаде мая, пусть 5-го числа, через 10 дней получаются всходы, которые начинают в процессе фотосинтеза поглощать СО2 создавая органическое вещество, накапливать его до восковой спелости, до конца июля. Суммарная энергия ФАР в данном случае, за вегетационный период яровой пшеницы, получается из половины приходящей энергии за май месяц и полной за июнь, июль 999,5 МДж/м2. Если, меняется срок посева, появление всходов, раньше сроков высыхают листья из-за засухи, болезней, то учитываем приход энергии только в тот период, когда идет фотосинтез у растений.
Величина энергии, запасенный в урожае сухого вещества (ЭУР), определяется по формуле:
ЭУР = У*С,
где У – урожайность сухой биомассы, кг/га;
С – калорийность 1 кг сухой биомассы, кДж (усреднено – 16760 кДж).
Чтобы определить урожайность сухой биомассы и накопленный углерод в ней для яровых зерновых культур преобразуем формулу при 1,5% усвоения ФАР, подставляем значение величины энергии ФАР за вегетационный период:
Если на долю корневой системы яровых зерновых приходится 30%, то на хозяйственную часть приходится 626 г/м2.
Полевые опыты с яровой твердой пшеницей проводились в 1984-1987 гг. в Старокулаткинском районе Ульяновской области; в 2001-2003 гг. – на полях Закамской зональной селекционно-семеноводческой опытной станции Республики Татарстан; в 2005-2008 гг. – на опытном поле кафедры растениеводства Казанской ГСХА. Почва опытного поля в Ульяновской области маломощный выщелоченный чернозем с содержанием гумуса 3,9%, подвижного фосфора (по Чирикову) 64-100 мг, обменного калия 120-220 мг/кг почвы. В Закамье РТ почва – выщелоченный чернозем. Содержание гумуса 5,4-6,2%, подвижного фосфора – 140-152 мг, обменного калия – 140-153 мг/кг почвы. Почва опытного поля Казанской ГСХА характеризовалась как серая лесная среднесуглинистая с содержанием гумуса 4,1%, подвижного фосфора (по Кирсанову) – 157-234, обменного калия – 81-158 мг/кг почвы. Исследования проводили в соответствии с методикой, принятой для научных учреждений зоны с сортами яровой твердой пшеницы Безенчукская 139 и Безенчукская 200, рекомендованными для возделывания по 7-му региону. Основным способом орошения яровой пшеницы является дождевание. В наших опытах в 1984-1987 гг. поливы проводили колесным дождевателем ДКШ-64 «Волжанка» нормами 350-500 м3/га. Количество удобрений рассчитывали расчетно-балансовым методом согласно результатам химического анализа почвы и коэффициентам выноса и использования питательных веществ из почвы и удобрений.
Результаты и обсуждение. Увеличения интенсивности усвоения углерода растениями можно добиться только при формировании высокой урожайности сухой биомассы на единице площади. В наших опытах, проведенных в разные годы с яровой твердой пшеницей, количество сформированной сухой биомассы, зависело не только от почвенно-климатических условий, но от внесения минеральных удобрений и орошения (табл. 4).
На выщелоченном черноземе в среднем за 1984-1987 гг. накопление сухой биомассы в хозяйственной части яровой твердой пшеницей к моменту уборки на фоне без удобрений составила 353 г/м2, на фоне внесения удобрений из расчета на 3 тонны зерна с гектара – 514 г/м2. На орошаемом участке при проведении трех вегетационных поливов накопление сухой биомассы по без удобренному фону достигла до 536 г/м2, по удобренному до 809 г/м2. В среднем за 2001-2003 гг. исследований на выщелоченном черноземе Закамья РТ накопленное количество сухой биомассы яровой твердой пшеницы на фоне без удобрений составила 260, на удобренном 314 г/м2. В более увлажненных условиях Среднего Поволжья Предкамье РТ накопление сухой биомассы яровой твердой пшеницей в исследованиях 2005-2008 гг. на фоне без удобрений составила 410, на удобренном 466 г/м2. Несомненно, использование расчетных доз минеральных удобрений и орошения способствовали увеличению накопления сухой биомассы и углерода на единице площади посевов.
На полях, занятых сельскохозяйственными культурами использование СО2 растениями зависит от соответствия созданных условий биологии произрастающей культуры, сорта. Чем оно больше, тем интенсивнее потребление углекислого газа. Если в течение всего теплого периода года на поле будут находиться вегетирующие растения, то и количество усвоенного СО2 будет больше.
Выводы. Использование расчетных доз минеральных удобрений и вегетационных поливов на посевах яровой твердой пшеницы способствовали повышению накопления сухой биомассы на единице площади.
1. Abbas FA. [Simple approach to estimate soil organic carbon and soil CO2 emission]. Mehran University Research Journal of Engineering & Technology. 2013; Vol. 32. (1). 9-18 p.
2. Bond-Lamberty B, Thompson A. [Temperature associated increases in the global soil respiration record]. Nature. 2010; Vol. 464. 579-582 p.
3. Chen C, Chen D, Pan J, Lam SK. [Application of the denitrification decomposition model to predict carbon dioxide emissions under alternative straw retention methods]. Scientific World Journal. 2013; (25). 851-901 p. doi:https://doi.org/10.1155/2013/851901.
4. Amirov MF. Programmirovanie urozhaev polevykh kul'tur. [Field crop yield programming]. Kazan': Kazanskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet. 2018; 140 p.
5. Ziganshin AA. Sovremennye tekhnologii i programmirovanie urozhainosti. [Modern technologies and programming of productivity]. Kazan': Izd-vo Kazan. un-ta. 2001; 172 p.
6. Kayumov MK. Spravochnik po programmirovaniyu produktivnosti polevykh kul'tur. [Handbook for programming the productivity of field crops]. Moscow: Rossel'khozizdat. 1982; 288 p.
7. Perevedentsev YuP, Vereshchagin MA, Shantalinskii KM, Naumov EP, Khabutdinov YuG. Izmeneniya klimaticheskikh uslovii i resursov Srednego Povolzh'ya: uchebnoe posobie po regional'noi klimatologii. [Changes in climatic conditions and resources of Middle Volga region: a textbook on regional climatology]. Kazan': Tsentr innovatsionnykh tekhnologii. 2011; 296 p.
8. Spravochnik po klimatu SSSR. Solnechnaya radiatsiya, radiatsionnyi balans i solnechnoe siyanie. [Reference book on the climate of the USSR. Solar radiation, radiation balance and sunshine]. - Leningrad: Gidrometeoizdat. 1966; Issue 12. Ch.1. 76 p.
9. Spravochnik po klimatu SSSR. Solnechnaya radiatsiya, radiatsionnyi balans i solnechnoe siyanie. [Reference book on the climate of the USSR. Solar radiation, radiation balance and sunshine]. - Leningrad: Gidrometeoizdat, 1966. Issie 29. Ch.1. 60 p.
10. Shevtsov NM. [Influence of various natural and anthropogenic activities on the accumulation of carbon (and other elements of mineral nutrition of plants) in the soils of modern rainfed and irrigated agriculture]. Sel'skokhozyaistvennye nauki i agropromyshlennyi kompleks na rubezhe vekov. 2015; (9). 27-42 p.
