PrintДорогой наш читатель. Мы не знаем, насколько вы нам, редакции журнала «Зерно», доверяете. Но в этот раз вы должны поверить нам особенно, поскольку такой важной и такой значительной для практики темы мы не поднимали давно. Речь пойдет о системе единиц накопления тепла. Это чрезвычайно простая и крайне эффективная в агрономии система, которая позволяет избе­жать тяжелых ошибок и гарантировать высокие результаты в растениеводстве. (Опубликовано в № 04.2010 г.)В 2006 году мы уже писали об этой системе и даже встречались с одним из ее пропагандистов и исследовате­лей, Энди Бутсма, известнейшим мировым ученым. Однако прошли годы. Изменились мы, изме­нились вы, и сейчас эта тема актуальна как никогда. Система крайне необходима была уже этой весной, когда затянувшиеся холода внесли значительные корректировки в сроки и технологии посевной кампании.

Энди Бутсма мы нашли с трудом, но нашли, и он откликнулся и прислал нам три статьи, на наш взгляд, крайне полезные украинскому земледельцу. Поэтому мы изменили планы номера и немедленно печатаем их, переведя и осуществив научную редакцию. Если мы, украинские агра­рии, будем вооружены этой прогрессивной системой, мы станем еще сильнее. Редакция выражает благодарность компании «Агро-Союз», на одной из конференций которой мы познакомились с выдающимся ученым, работы которого сегодня представляем вашему вни­манию.

Полагаем, сегодня вы получите превосходный инструмент для успешной работы.

Сумма эффективных температур поможет принять решение относительно сорта/гибрида и получить гарантии урожая

Внимание! Система особенно хорошо работает в отношении кукурузы и сои

Тепло и продуктивность

Продуктивность поздних яровых куль­тур (сои, кукурузы, томатов, подсолнечни­ка, картофеля и т.д.), выращиваемых в усло­виях умеренно континентального климата, сильно зависит от накопления достаточно­го количества тепла (так называемых еди­ниц теплоты или суммы эффективных тем­ператур) во время периода вегетации. Обеспеченность растений теплом в период вегетации влияет на уровень развития куль­тур, время наступления фаз развития в пери­од от посева до созревания. В Украине теплообеспеченность культур определяют по сумме активных температур, составленной из средних суточных температур выше 10°C, и сумме эффективных температур, вычис­ленной суммированием средних суточных температур, отсчитанных от биологическо­го минимума, при котором развиваются рас­тения данной культуры (в большинстве слу­чаев за биологический минимум принима­ют 5°С).

В Канаде и Америке теплообеспеченность культур определяют по количеству нако­пленных так называемых единиц тепла (Crop Heat Units – CHU), близких к привычно­му нам термину – сумма эффективных тем­ператур. Система расчета Crop Heat Units (CHU) основывается на ежедневных мак­симальных и минимальных температурах воздуха. Хотя не следует забывать, что дру­гие факторы окружающей среды, такие как длина светового дня (фотопериод), плодо­родие почвы и доступная почвенная влага, также оказывают влияние на уровень раз­вития культур; но, в основном, именно тепло­вые условия определяют динамику разви­тия – холодные условия замедляют процесс созревания, а теплые – ускоряют его.

В Канаде система Crop Heat Units (CHU) была разработана доктором М. Брауном, Университет Гуелф, провинция Онтарио, в 1960-х гг. и изначально основывалась на исследованиях связи между температурой и уровнем развития сои. Позднее полевые исследования показали, что эту связь также можно применять и в отношении кукуру­зы. Система CHU впервые была использо­вана в провинции Онтарио, Канада, в 1964 г., для того, чтобы помочь фермерам выбирать гибриды кукурузы, которые больше всего подходят для выращивания в этих областях.

Система постепенно принималась к исполь­зованию в других регионах Канады для при­нятия многих решений при выращивании сои и кукурузы. Известно, что гибриды куку­рузы и сои классифицируют по потребно­сти количества накопленных тепловых еди­ниц (по сумме эффективных температур) для достижения зрелости. Наличие доста­точного количества тепловых единиц легко рассчитывается для различных регионов, где выращиваются культуры, чтобы опре­делить, какие гибриды/культурные сорта могут подходить для выращивания в каж­дом регионе.

Считаем тепло по главной формуле -Crop Heat Units

Crop Heat Units высчитывается исходя из ежедневной максимальной и минималь­ной температуры воздуха путем определе­ния отношения между уровнем развития и температурой. Формула, используемая для вычисления ежедневного значения нако­пления единиц тепла, трехступенчатая и выглядит следующим образом:

  • сначала рассчитывают максимальное ежедневное значение, исходя из дневно­го максимума температуры: Ymax = 3,33(Tmax – 10,0) – 0,084 (Tmax – 10,0)2, при усло­вии, если Tmax < 10,0, то Ymax = 0,0;
  • второй шаг – расчет минимального ежедневного значения: Ymin = 1,8 (Tmin – 4,44), – если Tmin < 4,44, то Ymin = 0,0;
  • третий шаг – вычисления среднего ежедневного значения накопления еди­ниц тепла: CHU = (Ymax + Ymin) / 2,0.

Сумма накопившихся единиц тепла опре­деляется путем суммирования ежедневных значений CHU, начиная с предполагаемой даты посева и заканчивая предполагаемой датой завершения вегетационного периода (используя средние многолетние данные по области). Начальная и конечная даты могут изменяться, исходя из погодных усло­вий каждого отдельного года.

Подсчеты CHU применяем на практике

Система CHU незаменима для оценки потребности гибридов/культурных сортов кукурузы, сои, картофеля в определенной температуре и для установления пригодно­сти выращивания этих гибридов/культур­ных сортов в каждом климатическом реги­оне. Система CHU более достоверна по срав­нению с рекомендацией для гибридов соглас­но количеству дней, которое им требуется для вегетации, например, ранжирование гибридов кукурузы, как 100-дневных или 120-дневных, что часто делалось в прошлом. Срок, необходимый для вызревания 100-дневной кукурузы, будет варьировать­ся в зависимости от накопленных тепловых единиц в местности, где она выращивается, а, следовательно, не всегда является надеж­ным показателем зрелости гибрида.

Успех системы CHU базируется на том факте, что сумма ежедневных тепловых еди­ниц от посева до созревания данного гибри­да кукурузы или культурного сорта сои -величина менее переменная, чем количе­ство дней, требуемое для достижения зре­лости.

Систему CHU часто сравнивали с дру­гими системами тепловых единиц, которые используются в Северной Америке, и посто­янно подтверждалось, что с помощью систе­мы CHU более точно можно определить время наступления фаз развитий культур в сравнении с другими системами. Особенно хорошо эта система работает в отношении кукурузы и сои, потому что уровень разви­тия этих культур в значительной степени зависит от температуры, хотя многие сорта сои также чувствительны к длине светово­го дня. И не следует забывать, что макси­мальная температура – понятие нелиней­ное в отношении культур. Для кукурузы и сои максимальная оптимальная температу­ра – 30°С; если максимальная дневная тем­пература выше, развитие этих культур резко замедляется.

Еще одно преимущество системы CHU – это ее простота

Ежедневные значения можно с легко­стью вычислить при помощи формул круп­ноформатных таблиц или относительно про­стых компьютерных программ и потом использовать, зная только максимальную и минимальную за сутки температуру.

Подобно многим системам тепловых еди­ниц, система CHU не учитывает влияние на уровень развития культур прочих фак­торов, таких как длина светового дня, тем­пература почвы, наличие питательных веществ и доступной влаги. Также нужно учитивать физиологические особенности культур, например, тот факт, что развитие кукурузы менее зависит от температуры после цветения, чем на протяжении всей вегетации.

Влияние других факторов, в частности длины фотопериода, на уровень развития культур было предметом различных иссле­дований. Более продолжительный фотопе­риод (например, на более северных широ­тах) склонен немного замедлять вегетацию кукурузы, но может нивелироваться осо­бенно при высокой температуре воздуха, и варьирует в зависимости от гибрида.

Соя – это растение короткого дня, она реагирует совсем не так, как большинство остальных культур умеренного периода, т.е. удлинение фотопериода (увеличение све­тового дня) вызывает задержку цветения сои. Следовательно, в северных регионах выращивание сои может быть ограничено не только прохладными температурами, но также и более продолжительным световым днем. Степень зависимости сои от длины светового дня существенно варьируется во многих сортах. Сорта, которые созревают позже, больше склонны реагировать на длину светового дня, чем те, которые созревают раньше.

Существенным фактором может быть и наличие или отсутствие обработки почвы в технологии выращивания. Например, в No-till часто наблюдается замедленное раз­витие поздних яровых культур на началь­ных этапах роста. Это обусловлено более низкой, в сравнении с традиционной обра­боткой, температурой почвы, которая вызва­на, скорее всего, затенением почвы пожнив­ными остатками, большей отражающей поверхностью почвы (светлый цвет расти­тельных остатков отражает больше свето­вых лучей, нежели темная поверхность почвы) и большим содержанием влаги в почве. В «кукурузном поясе» США иссле­дования показали, что в No-till может пони­зиться температура почвы вплоть до 2 °С на ранних стадиях роста культур и тем самым отсрочить дозревание кукурузы и сои. Также хорошо известно, что стресс во время засу­хи влияет на урожайность, но его воздействие на уровень развития менее изучено.

Известно, что недостаток в почве влаги также может отсрочить наступление неко­торых фаз развития. Особенно чувствитель­ны растения кукурузы к влаге в начале ста­дии образования метелки, образования рылец в початке. Недостаток влаги также сокращает длительность фазы наполнения зерна у кукурузы. У сои, наоборот, недоста­ток влаги приводит к более раннему цвете­нию, появлению, наполнению и созреванию бобов.

Чтобы на практике применять систему CHU, необходимо построить карты зон нако­пления тепловых единиц, исходя из клима­тических данных регионов. На рисунке 1 представлен самый последний вариант карты, которая используется во время кон­сультаций по вопросам растениеводства в провинции Онтарио, Канада. Средняя доступная сумма CHU для выращивания кукурузы на зерно варьируется от низкой, около 2300 тепловых единиц в северных областях (приблизительный минимум, необ­ходимый для выращивания кукурузы на зерно), до высокой – 3500 тепловых единиц в самом южном регионе.

Чтобы определить пригодность терри­тории для выращивания того или иного сорта, в первую очередь, нужно знать потреб­ности в количестве тепла самого сорта. Это изначально делается следующим образом: выращивается «тестовый» гибрид кукуру­зы в рамках полевого опыта в течение ряда лет и в различных местностях, охватываю­щих разные уровни спелости и доступную сумму эффективных температур.

Даты достижения различных стадий роста (например, появление всходов, образова­ние метелки, образование початков и физиологическая спелость) регистрируются для каждого гибрида. В провинции Онтарио счи­тается, что зерновая кукуруза достигла физи­ологической спелости, когда содержание влаги в зерне составляет 32%, что наступа­ет непосредственно перед заморозками или приблизительно в конце осени. Дополни­тельное высушивание зерна происходит до момента уборки кукурузы, но в это время уже большая часть процессов физиологи­ческой активности, направленных на нако­пление сухого вещества в зерне, уже пре­кратилась. Сумма тепловых единиц, нако­пленная со времени посева и до достиже­ния стадии 32% влажности зерна, отмеча­ется для каждого тестового года и для каж­дого гибрида. Может существовать необхо­димость в определенном варьировании само­го оптимального уровня спелости в зависи­мости от климата, то есть, в более теплых регионах (например, «кукурузный пояс» в США, степная зона Украины) меньшее опти­мальное содержание влаги может быть под­ходящим.

Print

Рисунок1. Средняя сумма эффективных температур (CHU) в провинции Онтарио, Канада, на основе климатических данных за 1961­1990 гг. (Brown и Bootsma, 1993)

В провинции Онтарио физиологическая спелость сои определяется как время, когда 95% стручков стали коричневыми. Спустя приблизительно 4-5 лет проведения опы­тов в нескольких местах можно прописать достоверную среднюю сумму тепловых еди­ниц, необходимых для каждого гибрида или сорта. Нормы суммы CHU для новых гибри­дов или культурных сортов, которые выво­дятся в последующие годы, определяется путем сравнения уровней спелости для новых и для уже существующих провероч­ных гибридов или культурных сортов, для которых норма CHU уже была определена в полевых опытах, проведенных в несколь­ких местностях. Затем фермеры могут выбрать тот гибрид или культурный сорт, который лучше всего будет работать в усло­виях суммы CHU в их зоне.

CHU и связь с урожаем

Несмотря на то, что сумма тепловых еди­ниц – это, прежде всего, термальный индекс, который служит для выражения уровня раз­вития культуры до спелости, существует стабильное соотношение между средней суммой CHU и средним урожаем. В мест­ностях, где выше сумма CHU, можно выращивать позднеспелые гибриды или сорта, которые используют полную длину вегета­ционного сезона для накопления сухого вещества и потому обладают большим потен­циалом урожайности, чем ранние гибриды или сорта. На рисунках 2 и 3 показано отно­шение между средней доступной суммой тепловых единиц и средними урожаями кукурузы и сои на опытных полях в Восточной Канаде. Средний урожай куку­рузы увеличивается приблизительно на 0,6 т/га при каждом повышении CHU на 100 тепловых единиц. Средний урожай сои уве­личивается приблизительно на 0,13 т/га при каждом повышении CHU на 100 тепловых единиц. Увеличение урожая на уровне хозяйств менее значительно и более вари­ативно. Средний хозяйственный урожай приблизительно на 20% меньше, чем био­логический урожай, полученный в ходе исследовательских опытов.

Print

CHU и дефицит влаги

В Восточной Канаде урожаи кукурузы и сои существенно сокращаются в некото­рые годы, когда наблюдается недостаток влаги. Однако дефицит влаги (определяе­мый как количество, на которое потенци­альное суммарное испарение (РЕ) превы­шает количество осадков (Р) в сезон веге­тации), влияет на средний урожай культур похожим образом как в регионах с низкой суммой CHU, так и в регионах с высокой. На рисунке 4 представлена тенденция к уве­личению урожаев кукурузы по мере роста дефицита влаги вплоть до 150 мм, но это объясняется тем, что области, где дефицит выше, склонны к накоплению большей доступной суммы CHU, что стимулирует получения высших урожаев. Урожайность кукурузы падает, если дефицит влаги пре­вышает 150 мм.

Print

Несмотря на то, что средние урожаи выше в областях с высоким значением CHU, не всегда верно утверждать, что в годы, когда сумма CHU больше средней, урожай на отдельном месте будут выше, чем в те, когда сумма CHU ниже нормы. В более теплые годы кукуруза созреет раньше, что даст мень­ше времени на накопление органических веществ и может также подвергнуть расте­ния большему стрессу от недостатка влаги (повышается интенсивность испарения). Долгосрочные прогнозы погоды недостаточ­но надежны, чтобы, опираясь на них, ферме­ры могли выбирать позднеспелый гибрид во время посева в теплые годы, не характерные для этого региона. Теплые вегетационные сезоны действительно благоприятны для луч­шего созревания кукурузы на момент убор­ки урожая (т.е. меньше содержание влаги в зерне), что может сократить затраты на сушку зерна перед хранением. И наоборот, исклю­чительно холодные годы могут привести к задержке с созреванием, откладывая момент уборки урожая (больше риск потерь на поле), и вызвать большие затраты на сушку.

А ячмень – сам по себе

Интересно отметить, что в Канаде соот­ношение суммы эффективных температур со средним урожаем кукурузы и сои не при­менимо к колосовым зерновым культурам, например, к ячменю. На рисунке 5 показа­но, что урожай ячменя склонен уменьшать­ся по мере увеличения количества тепло­вых единиц (в данном случае отсчет эффек­тивных температур ведется при температу­ре выше 5°С, в то время как для кукурузы и сои – от 10°С). Это в основном объясня­ется тем, что период вегетации для ячменя сокращается по мере увеличения темпера­туры, тем самым оставляя меньше времени для ассимиляции (образования) сухих веществ. Культурные сорта ячменя, кото­рые могут использовать преимущества более продолжительного периода вегетации, пока не выведены. Другие факторы, например большая заболеваемость, меньшая степень чистого углеродного обмена и больший дефи­цит влаги, могут также сократить урожаи ячменя в более теплых регионах (рис. 6). Ячмень, вероятно, более чувствителен к дефициту влаги, чем кукуруза и соя. Средние урожаи его сократились в регионах с незна­чительным и в регионах с существенным дефицитом влаги в Восточной Канаде.

Print

Какой урожай у вас будет в 2069 году?

Мы использовали взаимоотношение между суммой CHU и средним урожаем для изучения потенциального воздействия климатических изменений на растениевод­ство в Восточной Канаде. На рисунках 7а и 7b показаны потенциальные изменения доступной суммы CHU на Атлантическом побережье Канады, исходя из прогноза кли­матических изменений, созданного благо­даря программе Канадской глобальной кли­матической модели (CGCMI-A) (CCCma, 2004). По этому сценарию, ожидается, что сумма CHU увеличится приблизительно на 600 тепловых единиц к 2040-2069 гг. по сравнению с сегодняшними значениями, которые обычно составляют от 2400 до 2600 тепловых единиц для основных сельскохо­зяйственных областей региона. Основываясь на сумме CHU и взаимосвязи с урожаем, можно ожидать, что это увеличение поспо­собствует росту биологического урожая зер­новой кукурузы в среднем приблизитель­но на 3,5 т/га (54%), а сои – на 0,8 т/га (29%). Если при подобном сценарии произойдет некоторый рост дефицита влаги, то он не будет считаться достаточно существенным, чтобы оказать значительное воздействие на величину среднего урожая. На основании этого прогноза мы можем составить про­гноз гипотетического производства (не пред­сказание, а один вероятный результат) на 2055 г. (табл. 1).

Print

Print

Print

Глобальное потепление может повысить урожайность

При изменении климата существенные изменения количества площадей, на кото­рых выращиваются определенные культу­ры, вероятно, произойдут вследствие уве­личения урожаев кукурузы и сои. Эти про­гнозы основаны только на результате GCM. В действительности существует высокая степень вариативности климатических изме­нений в будущем, предсказываемых раз­личными моделями GCM и прогнозами изменения уровня углекислого газа в атмос­фере (рис. 8). При составлении прогнозов рекомендуется использовать несколько раз­личных прогнозируемых данных для опре­деления погрешности в будущих оценках.

Потенциальное воздействие климатиче­ских изменений на сумму CHU также иссле­довалось для провинций Онтарио и Квебек в Канаде. В этом случае результаты осно­вывались на прогнозах 11 различных экс­периментов GCM, учитывающих некото­рые оценки вариативности климатических изменений. Обычно подсчитывают, что сред­ние изменения к 2040-2069 гг. составят 700 тепловых единиц для этого региона в Канаде (рис. 9). Потепление климата может спо­собствовать повышению урожайности, поскольку сумма CHU увеличится прибли­зительно до 3500 тепловых единиц, но после этого предела урожаи, скорее всего, выров­няются или даже снизятся, что подтверж­дают данные прогноза урожайности в «куку­рузном поясе» США.

Print

Рисунок 9. Потенциальное воздействие изменений климата на сумму эффективных температур CHU в провинциях Онтарио и Квебек, Канада

Сравнение урожайности в «кукурузном поясе» США и в Украине

Мы исследовали средние урожаи куку­рузы в «кукурузном поясе» США во взаи­мосвязи со средней доступной суммой тепло­вых единиц, исходя из информации об уро­жайности, собранной по данным опытов с гибридами кукурузы, проведенным в этом районе (рис. 10). Результаты подтвердили, что нет линейной тенденции увеличения урожая кукурузы по мере увеличения суммы CHU в этой местности (до 3200 тепловых единиц и выше), что более всего, вероятно, обусловлено высоким дефицитом влаги. В Небраске и Миссури – областях с высо­кой суммой CHU – при проведении опы­тов с орошением наблюдалось увеличение урожайности прямо пропорционально уве­личению суммы CHU.

Print

Рисунок 10. Отношение между суммой единиц тепла и средними урожаями кукурузы на Среднем Западе США. Прогнозы урожаев в Украине представляют собой непроверенные в полевых опытах данные и приводятся исключительно с целью иллюстрации

Print

По данным, полученным в США, суще­ствует значительный разброс во взаимос­вязи между средним урожаем кукурузы и средним значением дефицита влаги (рис. 11). Трудно оценить тенденцию пони­жения урожайности до тех пор, пока недо­статок влаги не выйдет за пределы прибли­зительно равные 270 мм, когда уже наблю­дается четкая тенденция понижения уро­жайности. Мы исследовали некоторые мно­голетние климатические данные, спрогно­зировав изменения климата в будущем для двух городов в Украине (Киев и Аскания-Нова), и разместили данные на рисунках 10 и 11. Прогнозируемые урожаи для Украины основаны на урожайности куку­рузы в США и не были проверены в поле­вых исследованиях. Средние данные о тем­пературе, количестве осадков, сумме эффек­тивных температур и недостатке влаги для отрезков времени в прошлом и будущем (2040-2060 гг.), используемые для местно­стей в Украине, представлены в таблице 2. Методы, применявшиеся для вычисления суммы CHU в Канаде, приемлемы для Украины. Допустив, что данные относи­тельно урожаев в Украине будут прибли­зительно следовать скромной тенденции, исходя из доступной суммы CHU, можно ожидать небольшого увеличения урожая кукурузы (рис. 10). Однако здесь не учи­тывалось влияние дефицита влаги на уро­жайность. Так как в Аскании-Новой про­гнозируется существенный дефицит влаги, то прогнозируемые урожаи для этого реги­она на рисунке 12 должны рассматривать­ся как применимые только для орошаемой кукурузы.

Print

Рисунок 11. Взаимосвязь между дефицитом влаги и средним урожаем кукурузы на Среднем Западе США. Урожаи в Украине – это непроверенные полевыми опытами данные, исходящие из результатов опытов в США, они приводятся исключительно с целью иллюстрации

А теперь у вас – много новой и интересной работы

Система Crop Heat Units доказала свою функциональность в Канаде, так как обе­спечивает производителей информацией, которую они могут использовать при выра­щивании кукурузы и сои, а также прочих теплолюбивых культур, и при принятии решений. Есть хороший потенциал при­менения этой системы в Украине и близ­лежащих странах для областей, где выра­щивают кукурузу и сою. Однако эта систе­ма в будущем должна быть проверена и отлажена при помощи данных полевых опытов и климатических характеристик для этого региона. Следует составить под­робную карту сумм эффективных темпе­ратур для местности при помощи соответ­ствующих критериев. Система Crop Heat Units может предоставить полезную информацию относительно возможного воздействия прогнозируемых изменений на потенциальный биологический урожай кукурузы и сои, а также картофеля, тома­тов и подсолнечника.

Энди Бутсма, почетный член ассоциации Agriculture and Agri-Food Canada, Восточный центр изучения зерновых и масличных культур, Оттава, провинция Онтарио, Канада