УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
Исследования проводили с целью определения особенностей формирования урожайности яровой мягкой пшеницы на основе анализа изменчивости основных элементов ее структуры в условиях таежной агроклиматической зоны Тюменской области. Эксперименты выполняли в 2014–2016 гг. на 22 сортах яровой мягкой пшеницы, относящихся к двум группам спелости (среднеранние и среднеспелые). Площадь делянки – 1 м2, повторность – 4-х кратная. Почва по гранулометрическому составу суглинистая, содержание гумуса – 4,5 %, рН=7,1. Фактором, лимитирующим урожай пшеницы, в первый год исследования была недостаточная теплообеспеченность (среднесуточная температура воздуха на 1,4 0С ниже среднемноголетней) на фоне дефицита осадков (62 % по отношению к норме), что стало причиной формирования щуплого зерна. Во второй год обильные осадки (155 % к норме за вегетационный период), в июле носившие ливневый характер, привели к полеганию растений и увеличению зараженности зерна грибными болезнями. В третий год высокая температура воздуха (на 3,2 0С выше среднемноголетней) обусловили сокращение продолжительности фазы кущения и снижение числа продуктивных побегов. Значительной вариации в период исследования были подвержены признаки – число побегов, масса зерна с колоса, масса 1000 зерен и длина стебля (коэффициенты вариации (CV) составили – 20…22 %), практически не изменялись – число зерен в колосе и длина колоса (CV – 2…3 %). Наблюдали компенсацию одних элементов структуры урожая другими. Недостаточное число стеблей компенсировалось увеличением доли продуктивного стеблестоя, низкое число продуктивных побегов – более высокой продуктивностью колоса, относительно низкая озерненность колоса – увеличением массы 1000 зерен. В результате уровень урожайности по годам исследования варьировал незначительно (CV – 7 %)
пшеница мягкая яровая (Triticum aestivum L.), сорт, структура урожая, погодные условия, Тюменская область
Среди факторов, влияющих на урожайность пшеницы и других зерновых культур, важнейшую роль играют погодные условия. Уже более века происходит глобальное потепление климата [1, 2, 3], увеличивается частота и интенсивность экстремальных погодных явлений [4, 5]. Китайскими исследователями для пяти основных стран-производителей пшеницы установлено, что повышение температуры воздуха на каждый градус Цельсия приводит к потере глобального урожая зерна на 6 % [6]. Эффект потепления зависит от базового климата и географически неоднороден. Считается, что более теплые регионы будут страдать от большей потери урожая при повышении температуры, чем более холодные [7]. Имеются данные, что пшеничные пояса продвигаются к полюсам со скоростью до 160 миль за десятилетие [8]. На фоне мрачных прогнозов изменения климата обеспечение стабильного увеличения урожайности для удовлетворения растущего спроса – важная проблема для всего мира.
В Тюменской области яровая пшеница – основная продовольственная культура [9]. Ее высевают на площади более 400 тыс. га, средняя урожайность достигает 2,0…2,2 т/га, в лучших хозяйствах собирают по 4…5 т/га и более. Доля зернового клина, занятого сортами местной селекции, составляет 60…70 % [10]. Зерновые культуры выращивают только в южной части области, которая в агроклиматическом отношении разделена на четыре зоны: таежная, подтаежная, северная лесостепь и южная лесостепь [11]. Лимитирующие факторы возделывания пшеницы в регионе – дефицит влаги в первой половине вегетационного периода и, наоборот, избыточное увлажнение с недостатком тепла во второй половине вегетации, часто случаются ранние августовские заморозки, повреждающие недозревшее зерно в колосе [10, 12]. Отмечают значительную вариабельность основных агрометеорологических параметров по годам и непредсказуемость проявления тех или иных стресс-факторов. Разница температуры воздуха вегетационного периода прохладных лет и лет с повышенным температурным режимом составляет 4…5 0С, по количеству осадков во время вегетации влажные и засушливые годы отличаются в 2…5 раз [13]. В течение последних десятилетий в регионе, как и во всем мире, наблюдается рост среднегодовой температуры воздуха [13]. Учитывая экстремальные условия земледельческих зон, в Тюменской области нужны хорошо адаптированные сорта, стабильно формирующие урожайность и качество зерна по годам [13, 14].
Цель исследований – определение особенностей формирования урожайности сортов яровой мягкой пшеницы на основе анализа изменчивости главных элементов ее структуры в условиях таежной агроклиматической зоны Тюменской области.
Условия, материалы и методы. Работу проводили в 2014–2016 гг. на опытном поле,
расположенном в таежной агроклиматической зоне Тюменской области. Изучали сорта яровой мягкой пшеницы среднеранней и среднеспелой групп спелости Омская 36, Казахстанская 10, Икар, Скэнт 3, Авиада, Лютесценс 70, Рикс, Тюменская 25, Тюменская 29, Терция, Лютесценс 585, Серебрина, Тюменская 27, Тюменская 33, Тюменская 32, Тюменская 31, Тюменская 30, Тюменец 2, Аделина, Krabat, Laban, CN 06600. Для проведения исследований закладывали микрополевые опыты в четырехкратной повторности. Норма высева – 500 семян на 1 м2, ширина междурядья – 15 см, глубина заделки семян – 3 см. В первый год исследования для посева использовали семена Селекционно-семеноводческого центра по растениеводству научно-исследовательского института сельского хозяйства Северного Зауралья, в последующие годы – семена предыдущего урожая. Учитывали полевую всхожесть семян, число растений, сохранившихся к уборке урожая, общее число побегов и число продуктивных побегов, кустистость, длину стебля и колоса, площадь флагового листа, число колосков в колосе, число зерен в колосе, массу зерна с колоса, массу 1000 зерен, урожайность с 1 м2.
Химический анализ пахотного слоя почвы выполняли в химико-экологической лаборатории ТКНС УрО РАН, имеющей государственную аккредитацию, подтверждающую компетентность в проведении аналитических работ. Величину водородного показателя солевой вытяжки из почвы определяли по ГОСТ 26483-85, содержание нитратного азота – по ГОСТ 26488-85, подвижного фосфора – по ГОСТ Р 54650-2011, гумуса – по методу И. В. Тюрина. Почва экспериментального участка характеризовалась высокой обеспеченностью нитратным азотом (17,2±1,6 мг/кг), очень высоким содержанием подвижного фосфора (1154±4 мг/кг), средними запасами гумуса в пахотном слое (4,5±0,3 %), нейтральной реакцией (рН=7,1±0,0 ед.), по гранулометрическому составу классифицировалась как суглинистая.
При характеристике метеорологических условий использовали архив сайта rp5.ru (ООО «Расписание Погоды», г. Санкт-Петербург, лицензия Росгидромета №1691595 Р/2013/2331/100/Л). В годы исследования наблюдали резкие колебания гидротермических факторов. Вегетационный период 2014 г. отличался относительно низкой температурой воздуха, которая в среднем составила 14,4 0С (при усредненной величина этого показателя за предшествующие 10 лет 15,8 0С), в 2015 г. средняя температура воздуха составила 15,5 0С, а в 2016 г. – 19,0 0С. Соответственно, по годам различалась продолжительность вегетационного периода, так, в среднем для исследованных сортов в 2014 г. она составила 116 дней (сумма среднесуточных температур – 1661 0С), в 2015 г. – 114 дней (1768 0С), в 2016 г. – 89 дней (1696 0С). По сравнению со среднемноголетними значениями (в среднем за соответствующий период 2003–2013 гг. 245 мм), в 2014 г. регистрировали небольшое количество осадков в период вегетации растений – 152 мм. В 2015 г. сумма осадков превысила показатели предыдущего года в 2,5 раза и составила 383 мм, в середине вегетационного периода наблюдали сильные ливневые дожди. В 2016 г. общее количество осадков находилось на уровне 251 мм, обильные дожди (до 46 мм в сутки) отмечали в фазе выхода растений в трубку.
В качестве описательных статистик использовали среднее значение и стандартное отклонение (M±SD), для сравнения степени изменчивости признаков применяли коэффициент вариации (CV), варьирование считали слабым, если CV не превосходил 10 %, средним – 11…25 %, и значительным – больше 25 % (по классификации Г. Ф. Лакина, 1990). Поскольку распределение исследуемых признаков не всегда подчинялось закону нормального распределения, при проверке статистических гипотез использовали непараметрические методы – критерий Краскела-Уоллиса и коэффициент ранговой корреляции Спирмена (rs). Критический уровень статистической значимости (р) принимали равным 0,05. В тексте статьи приведены только статистически значимые значения rs (p<0,05).
Результаты и обсуждение. При норме высева 500 шт./м2, среднее число растений на 1 м2 к уборке урожая в первые два года исследования составляло соответственно 357±37 и 356±29 шт., в третий год – 310±28 шт. (рис. 1). Такая ситуация была обусловлена тем, что в 2016 г. для посева использовали семена урожая предыдущего года, для которого были характерны проливные дожди в середине вегетационного периода, что привело к полеганию растений, увеличению зараженности семян болезнями. В результате в третий год полевая всхожесть семян была ниже, чем в два предыдущих (в среднем по сортам 73,1±6,0 % и 77,9…82,8 % соответственно), при относительно невысоких значениях сохраняемости растений (85,5±3,8 % и 91,9…86,4 %). Численность растений на единице площади в большей мере определялась полевой всхожестью семян (rs между этими признаками в разные годы был равен 0,83, 0,76 и 0,77 соответственно), нежели сохраняемостью растений (rs в 2014 г. составил 0,64, в остальные годы не имел статистической значимости).
Общая кустистость растений яровой пшеницы в первые два вегетационных сезона была высокой и составляла соответственно 2,9±0,3 и 2,8±0,3 побега на одно растение. В третий год она не компенсировала снижения численности растений, наоборот, наблюдали уменьшение кустистости – в среднем до 2,3±0,2. Известно, что на энергию кущения сильное влияние оказывает продолжительность этой фазы. Высокие температуры воздуха в 2016 г., в том числе в первой трети вегетации растений (больше предыдущих лет на 1,1…1,5 0С), привели к сокращению длительности фазы кущения и образованию меньшего количества боковых побегов. Таким образом, общее число побегов на 1 м2 в 2016 г. было значительно ниже, чем в 2014 и 2015 гг., и составляло 705±74 шт., против 1047±86 и 988±125 шт. соответственно. При этом доля продуктивных стеблей в их общем числе в 2016 г. была самой высокой – 91,8±2,4 %, тогда как в 2014 г. она находилась на уровне 81,5±6,0 %, в 2015 г. – 64,6±7,1 %, несмотря на близкие с предыдущим годом показатели общего числа побегов. Продуктивная кустистость по годам исследования составили соответственно 2,4±1,8, 1,8±1,5 и 2,1±1,7 побегов на растение, что выше средних величин этого показателя по Тюменской области – 1,0…1,4 шт. [12].
Размеры урожая во многом зависят от двух элементов – густота продуктивного стеблестоя и продуктивность колоса. Это обобщающие показатели, которые охватывают ряд более мелких параметров. В первый год исследования сформировался наибольший продуктивный стеблестой – 846±70 шт./м2, при этом продуктивность колоса была самой низкой – 0,82±0,08 г (см. рис. 1). Во второй год, наоборот, регистрировали наименьшую величину продуктивного стеблестоя – 624±63 шт./1 м2, а масса зерна с колоса была самой высокой – 1,27±0,14 г. Таким образом, недостаточное развитие одного элемента урожайности компенсировало усиленное формирование другого, что привело в какой-то мере к стабилизации урожая. Средняя урожайность по годам исследования составила 689±76 г/м2, 787±75 г/м2 и 700±60 г/м2 соответственно. Коэффициент вариации (CV) по годам для числа продуктивных стеблей был равен 17 % (средняя степень рассеивания данных), массы зерна с колоса – 22 % (средняя степень), урожайности – 7 % (незначительная степень). Коэффициенты корреляции урожайности с продуктивным стеблестоем в разные вегетационные периоды находились на уровне 0,50, 0,60 и 0,61, с массой зерна с колоса в 2014 г. – 0,67, в 2015 г. – 0,45, в третий год корреляция была недостоверной.
Продуктивность колоса определяется его озерненностью и массой зерновки. Число зерен в колосе в первый и третий год исследования не имело статистически значимых отличий и составило соответственно 31,3±3,1 шт. и 30,6±2,6 шт. Во второй год отмечали более высокую величину этого показателя, а также широкий ее разброс по сортам – 32,7±4,9 шт. (см. рис. 1). Коэффициент вариации озерненности колоса по годам исследования был стабильным и составил 7 %. Существенные отличия по годам исследования наблюдали по массе зерновок – CV – 23 %. Самая низкая масса 1000 зерен отмечена в 2014 г. – 26,3±3,0 г, причинами формирования щуплого зерна были пониженный тепловой режим во время вегетации растений и загущенный стеблестой. Более высокой она была в 2015 г. и 2016 г. – 39,1±3,2 и 35,5±3,8 г соответственно.
Урожай сельскохозяйственных культур формируется благодаря фотосинтетической деятельности растений. Ассимилирующие органы пшеницы – это, прежде всего, верхние листья, размеры которых тесно коррелируют с продуктивностью колоса, а также колос, стебли, влагалища листьев, ости. Во второй год исследования площадь флагового листа – 32,8±5,3 см была выше, чем в первом и третьем годах – 26,1±3,8 и 24,6±3,7 см соответственно, аналогичная ситуация сложилась и по длине колоса – соответственно 9,0±0,7 см, 8,6±0,6 см и 8,7±0,7 см соответственно. При этом во второй год растения были самыми низкорослыми – 75,3±6,7 см, против 101,4±9,0 и 111,8±9,9 см в первый и третий год соответственно, с наименьшим числом колосков в колосе – 15,1±1,5 шт., 15,8±1,1 и 18,0±1,1 шт.
В целом в первый год вегетации наблюдали загущенный стеблестой с числом продуктивных побегов в 1,4 и 1,3 раз выше, чем в 2015 и 2016 гг. соответственно. При этом продуктивность колоса была самой низкой за все время экспериментов. Во второй год исследования отмечали самую высокую продуктивность колоса – больше, чем в 2014 и 2016 гг., в 1,6 и 1,2 раза соответственно, а также самую значительную площадь флагового листа, превышавшую величины этого показателя в первый и третий годы в 1,2 и 1,3 раза, растения были ниже, чем в другие годы. Средняя по сортам длина стебля растений пшеницы в 2016 г. превышала величину показателя в 2015 г. в 1,5 раза, в 2014 г. – в 1,1 раза.
Наибольшую урожайность в период исследования обеспечил сорт Омская 36 – 807±42 г/м2, самую низкую – Тюменец 2 – 632±42 г/м2, при этом продуктивность колоса у них была одинаковой – 1,1 г/м2, но растения значительно отличались по числу продуктивных побегов – 762±138 шт./м2 и 622±126 шт./м2 соответственно (рис. 2). В целом урожайность исследованных сортов пшеницы положительно коррелировала с продуктивным стеблестоем (0,58) и не имела статистически значимой связи с продуктивность колоса. У сортов СКЭНТ 3, Laban, Krabat Тюменская 25, Лютесценс 70, Терция отмечено более сильное, относительно других сортов, варьирование урожайности по годам исследования, связанное в основном с более широким разбросом показателей продуктивности колоса. Наименьшее число продуктивных побегов зафиксировано у сортов АВИАДа – 597±126 шт./м2 и Серебрина 613±135 шт./м2, при этом у них была самая высокая масса зерна с колоса – 1,23±0,31 г и 1,20±0,33 г соответственно. Между этими двумя признаками выявлена обратная связь (-0,60). Таким образом, недостаточное число продуктивных побегов компенсировалось более высокой продуктивностью колоса. Сорта с относительно низким продуктивным стеблестоем характеризовались более высокими показателями длины колоса (-0,46), количества колосков (-0,61) и зерен (-0,60), площади флагового листа (-0,59). У сортов Рикс, Авиада, Серебрина и Казахстанская 10 отмечены наибольшие длина колоса (9,6…10,4 см) и площадь флагового листа (31,9…33,8 см2), у сортов Krabat и Laban – число зерен в колосе (41,2 и 36,0 шт.), у сортов Омская 36, Тюменская 32, Рикс, Казахстанская 10 – масса 1000 зерен (36,3…37,3 г). Выявлена отрицательная корреляция между числом зерен в колосе и массой 1000 зерен (-0,70), то есть относительно низкая озерненность колоса компенсировалась укрупнением зерна.
количественных признаков яровой пшеницы по сортам находились на следующих уровнях: урожайность – 6 %, продуктивный стеблестой –
8 %, продуктивность колоса – 7 %, число зерен в колосе – 10 %, масса 1000 зерен – 9 %.
Выводы. Контрастные по температурному режиму и сумме выпавших осадков метеоусловия в годы исследования привели к существенным различиям в уровне развития основных элементов урожайности. Значительную степень вариации (CV более 20 %) по годам наблюдали для числа побегов, массы зерна с колоса, массы 1000 зерен и длины стебля. В наименьшей степени (CV – 2…3 %) изменялись длина колоса и число зерен в колосе. Несмотря на значительное варьирование по годам исследования уровней развития отдельных количественных признаков пшеницы, урожайность изменялась в незначительной степени (CV – 7 %), благодаря компенсаторным механизмам, благодаря которым недостаточное развитие одного элемента структуры урожая, приводило к усиленному формированию другого. Средняя урожайность в 2014, 2015 и 2016 гг. составила 689±76 г/м2, 787±75 г/м2 и 700±60 г/м2 соответственно. Коэффициенты вариации основных элементов урожая по исследованным сортам не превышали 10 %, а для урожайности он был равен
6 %. Результаты анализа сортовых различий хозяйственно-ценных признаков в контрастных условиях вегетации могут способствовать более успешному подбору и распространению сортов яровой мягкой пшеницы в сельскохозяйственном производстве.
1. IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis.URL: https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/ (дата обращения 26.03.2021)
2. IPCC, 2018: Global Warning of 1,5 0C.URL: https://www.ipcc.ch/sr15/ (дата обращения 26.03.2021)
3. Оценка стратегического прогноза изменений климата Российской Федерации на период до 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Климатический центр Росгидромета. Санкт-Петербург: ДʼАРТ: Главная географическая обсерватория им. А.И. Воейкова, 2017. 44 с.
4. IPCC, 2019: Climate Change and Land. URL: https://www.ipcc.ch/srccl/ (дата обращения 26.03.2021)
5. Доклад о климатических рисках на территории Российской Федерации / Е. М. Акентьева, Е. И. Александров, Г. В. Алексеев и др. / под ред. В. М. Катцова. Санкт-Петербург: Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, 2017. 106 с.
6. Temperature increase reduces global yields of major crops in four independent estimates / C. Zhao, B. Liu, S. Piao, et al. // Proc. Natl. Acad. Sci.2017. Vol. 114. No. 35. P. 9326-9331. doihttps://doi.org/10.1073/pnas.1701762114.
7. Similar estimates of temperature impacts on global wheat yield by three independent methods/ Liu B., Asseng S., Müller C., et al. //Nature Clim Change.2016.Vol. 6.P. 1130-1136.doihttps://doi.org/10.1038/nclimate3115.
8. Jones N. Redrawing the map: how the world’s climate zones are shifting. YaleEnvironment 360. 2018. URL: https://e360.yale.edu/features/redrawing-the-map-how-the-worlds-climate-zones-are-shifting (дата обращения 26.03.2021)
9. Государственному испытанию новых сортов сельскохозяйственных культур по Тюменской области 80 лет / Ю.П.Логинов, А.А.Казак, С.Н. Ященко и др.// Агропродовольственная политика России. 2018. № 5(77). С. 30-35.
10. Программа работ комплексного селекционно-семеноводческого центра по растениеводству научно-исследовательского института сельского хозяйства Северного Зауралья на период 2011-2030 гг. / под ред. В.В. Новохатина. Тюмень: «Печатник», 2011. 98 с.
11. Система адаптивно-ландшафтного земледелия в природно-климатических зонах Тюменской области / Н. В. Абрамов, Ю. А. Акимова, Л. Г. Бакшеев и др. // Тюмень: АО «Тюменский издательский дом», 2019. 472 с.
12. Поляков М.В., Белкина Р.И., Шулепова О.В. Яровая пшеница и ячмень в Северном Зауралье: сорта, элементы технологии, урожайность и качество зерна. Тюмень: ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья, 2020. 148 с.
13. Новохатин В.В. Биоклиматические ресурсы Северного Зауралья // Аграрный вестник Урала. 2015. № 8(138). С. 22-28.
14. Казак А.А., Логинов Ю.П. Сортовые ресурсы яровой мягкой пшеницы Западной Сибири в решении продовольственной безопасности региона // Зерновое хозяйство России. 2016. № 3. С. 44-47.
