Дорогой 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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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
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.
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