22-11Высота стерни как средство управления микроклиматом, урожайностью и эффективностью использования влаги при выращивании рапса.

Низкая влагообеспеченность – основной лимитирующий фактор производства культур в полузасушливом климате. Cтерня обеспечивает накопление снега, создает благоприятный микроклимат, что в результате может положительно отразиться на урожайности сельскохозяйственных культур. Обычно чем выше стерня, тем большее влияние она оказывает на микроклимат и урожай.(Опубликовано в № 06.2010 г.)

В полузасушливой зоне канадских прерий в течение четырех сезонов (1999-2002) проводились полевые исследования влияния высоты стерни (высокая – 30 см, низкая – 15 см и закультивированная) на микроклимат, использование влаги и урожайность рапса (Brassica парт L.) сорта Arrow. Был добавлен еще один вариант с высокой стерней и дополнительным азотным удобрением (норма внесения, рекомендованная для черноземов в полузасушливых прериях), чтобы оценить роль удобрения при выращивании рапса по стерне. Различия в скорости ветра, температуре почвы и солнечной радиации, достигающей поверхности почвы, привели к значительным изменениям микроклимата в высокой стерне по сравнению с задискованной. При внесении одинакового количества удобрений на всех участках высокая стерня увеличивала урожай семян рапса на 24%, а эффективность использования влаги (ЭИВ) повышалась на 19% по сравнению с вариантом, где стерня осенью была передискована.

Погодные данные, собранные за многие годы, свидетельствуют о том, что среднесуточная норма осадков начинает уменьшаться за 3-4 недели до того, как среднесуточные максимальные температуры в конце июля достигают наивысших показателей (Ангади и др., 2004). Следовательно, дефицит влаги в полузасушливых погодных условиях достигает пика еще во время вегетационного периода.
Прямой посев в стерню с минимальным рыхлением почвы является очень эффективным способом увеличения запасов воды и уменьшения ее испарения. Инфильтрация влаги из снега, удержанного стерней, может увеличить запасы воды в почве (Кэмпбел и др., 1992; Лафон и др., 1992). Количество удержанного снега прямо пропорционально высоте стерни (Аас и Сидоуэй, 1980; МакКонки и др., 1997; Степун, 1994). Одновременно стерня злаковых культур эффективно уменьшает потери влаги через испарение (Каприо и др., 1985; Катфорф и Мак-Конки, 1997; Катфорф и др., 2002 а), в результате культура имеет больше влаги. Кроме того, уменьшая скорость ветра и проникновение прямой солнечной радиации на поверхность почвы, стерня создает более благоприятный микроклимат для культур (Аас и Сидоуэй, 1980; Катфорф и МакКонки, 1997; Катфорф и др., 2002 а).
Ранее было установлено, что суммарное испарение за вегетационный период не изменялось в результате управления стерней. Однако урожайность пшеницы (Катфорф и МакКонки, 1997) и бобовых (Катфорф и др., 2002 а), посеянных по высокой стерне, была на 10% больше. При этом влага использовалась культурами (пшеницей и бобовыми) более эффективно, чем при выращивании их по обработанной стерне. Урожайность и ЭИВ пшеницей и бобовыми, которые были высеяны по короткой стерне, оказались средними, по сравнению с урожайностью при посеве по высокой и обработанной стерне.
Цель исследований – определить влияние различных приемов управления высотой стерни пшеницы на микроклимат, рост и урожайность рапса.

Как исследовали

Полевые исследования проводились в Свинтоне Центром сельскохозяйственных исследований в полузасушливых прериях на пылеватом суглинке (типичный бурый чернозем) (Айрес и др., 1985) в течение четырех сезонов (1992-2002, начиная с посева в конце осени в 1998 г.). В опытах высевали устойчивый к глифосату сорт рапса Arrow пневматической сеялкой Flexicoil 5000 с сошниками Flexicoil Stealth (Flexicoil Ltd., Саскатун, Саскачеван S7K 3S5) с шириной междурядья 23 см. Относительно высокая норма высева (9,5 кг/га) использовалась для получения оптимальной густоты посева. Вносили рекомендованные для зоны бурой почвы нормы удобрений – 84 кг азота/га, 22 кг фосфора/га и 22 кг серы/га, из них 78 кг азота и вся сера вносились разбросным методом (в виде сульфата аммония) весной, а остальной азот и фосфор – ленточным методом в середину рядка при посеве. Обработка посевов глифосатом после всходов культуры позволяла удерживать их чистыми от сорняков.
В опытах использовали стерню яровой пшеницы, выращенной по пару в севообороте пар – пшеница – рапс. Пшеницу убирали комбайном, оснащенным жаткой, которая позволяет оставлять стерню высотой выше 30 см. Выполнялись шесть операций, связанных с управлением стерней: 1) стерня срезалась до высоты 30 см осенью, а весной по ней осуществлялся прямой посев; 2) стерня срезалась до высоты 30 см, затем осенью до высоты 15 см; 3) стерня срезалась до высоты 30 см, затем культивировалась осенью и весной высевали рапс; 4) стерня срезалась до высоты 30 см осенью, а весной по ней осуществлялся прямой посев, но вносились дополнительные 34 кг азота/га (нитрат аммония); 5) стерня срезалась до высоты 30 см осенью и до 15 см весной; 6) стерня срезалась до высоты 30 см осенью, затем весной передисковывалась.
Варианты, где нужно было заделывать стерню в почву, обрабатывались двойным диском осенью и весной на небольшой скорости (5 км/ч), после чего шли бороны-уплотнители. При дисковании половина стерни заделывалась в почву, а остальная часть растительных остатков оставалась на поверхности почвы. На вариантах с короткой стерней (15 см) осенью и весной срезалась высокая стерня с помощью сеноуборочного комбайна и равномерно распределялась по полю. Высевали рапс в начале весны (24-25 апреля). Размер участков – 45 х 45 м. Урожай убирали комбайном MF 550 (AGCO) с последующим пересчетом на гектар.

Basic RGB

Сезонные результаты

Погода
Вегетационный сезон 1999 года был прохладным и влажным, в 2000 году влажным. И в 1999, и в 2000 годах отмечались короткие периоды засухи в конце сезона. Сезон 2001 года был исключительно сухим, его можно даже назвать засушливым. В 2002-м начало сезона было очень сухим (ранняя засуха), а вторые две трети были влажными.

Basic RGB
Микроклимат
Высота стерни существенно влияла на микроклимат посева до и после цветения рапса (таблица 2). Аналогично с предыдущими результатами (Катфорт и МакКонки, 1997; Катфорт и др., 2002 а) влияние короткой стерни было средним по сравнению с задискованной и высокой стерней. До и после цветения средняя скорость ветра в течение дня была выше в короткой стерне, чем в высокой. После цветения средняя скорость ветра в течение дня на высоте 15 см была около нуля как в задискованной, так и в высокой стерне.

Basic RGBBasic RGB

Basic RGB
Высокая стерня по сравнению с передискованной сокращала скорость ветра на высоте 15 см на 77% (только перед цветением), на высоте 100 см на 14% и на высоте 200 см на 7%. Как до, так и после цветения рапса средняя температура почвы на глубине 5 см была выше в задискованной стерне, чем в высокой. Средний уровень солнечной радиации в течение дня, измеренный на высоте 7,5 см над поверхностью земли, был самым низким в высокой стерне (на 21% ниже до цветения и на 38% после цветения) по сравнению с обработанной стерней. Эти результаты аналогичны получаемым ранее. По данным Аас и Сидовей (1980), Каприо и др. (1985), Катфорт и МакКонки (1997), Катфорт и др. (2002 а), сокращение солнечной радиации стерней рапса было в два раза выше, чем стерней пшеницы. Рапс намного крупнее, чем пшеница, имеет более горизонтальную ориентацию листьев, тогда как листья пшеницы направлены более вертикально. Поэтому эффект затенения у рапса больше, чем у пшеницы.
Перед цветением (приблизительно 180-й день года) скорость ветра на высоте 15 см над поверхностью почвы всегда была значительно ниже в высокой стерне, чем в обработанной (рисунок 1). После цветения возле поверхности почвы отмечался очень слабый ветер как в высокой, так и в задискованной стерне. На высоте 1 и 2 м различия между высокой и задискованной стерней были минимальными при низких скоростях ветра; но при высоких скоростях ветра в высокой стерне скорость ветра была всегда ниже.
В течение вегетационного периода солнечная радиация около поверхности почвы в высокой стерне была аналогична или меньше, чем солнечная радиация около поверхности почвы в обработанной стерне (рисунок 2). Перед фазой стеблевания солнечная радиация возле поверхности почвы в задискованной стерне была эквивалентна поступающей солнечной радиации на высоте 2 м, тогда как солнечная радиация возле поверхности почвы в высокой стерне была обычно ниже. В начале фазы стеблевания солнечная радиация возле поверхности почвы в высокой и задискованной стерне снижалась до уровня солнечной радиации на высоте 2 м, и это снижение зачастую начиналось раньше в высокой стерне. Исключения появились во второй половине вегетационного сезона 2001 года и весной 2002 года в связи с сильной засухой (таблица 1). В начале вегетационного сезона, когда всходы рапса были маленькими и находились возле поверхности земли, наблюдалось большое различие в проникновении солнечной радиации до уровня 7,5 см над поверхностью почвы (высота сенсора). Оно было обусловлено разницей в высоте стерни на вариантах. По мере роста всходы, когда превышали сенсорную высоту, закрывали сенсор тенью, что еще больше увеличивало разницу в солнечной радиации около поверхности почвы.
Визуальные наблюдения показали, что при хорошей влажности почвы всходы рапса развивались тем быстрее, чем были выше по высоте и формировали большую площадь листьев в высокой стерне по сравнению с задискованной (Катфорт и др., 2002). В 2001 году из-за сильной засухи различия в развитии всходов, заложенные ранее за счет высокой стерни, выровнялись во второй половине вегетационного периода. Вследствие сильной нехватки влаги проростки рапса не могли использовать различия в микроклимате, созданные высокой стерней. Таким образом, не было обнаружено различий в уровне проникновения солнечной радиации к поверхности почвы в зависимости от высоты стерни.
В 2002 году всходы также были подвержены сильному стрессу из-за отсутствия влаги. Дождь в начале июня немного понизил уровень стресса. В этот период растения рапса могли реагировать на различия в микроклимате. Величина всходов, особенно размер листьев, увеличились у рапса, который рос в высокой стерне (Катфорт и др., 2002). Больше тени на поверхности почвы создавалось растениями с более развитой листовой поверхностью в высокой стерне, что отражалось в раннем и большем уменьшении солнечной радиации, которая достигала поверхности почвы с начала фазы выхода в трубку и практически до созревания.
Температура почвы на глубине 5 см была обычно ниже в высокой стерне по сравнению с задискованной, и эти различия сохранялись еще долго после цветения, когда сама культура уже была почти в два раза выше стерни (рисунок 3). Однако в начале вегетационного периода различия в средних температурах в течение дня в разных видах стерни были минимальными. В прохладные весны (таблица 1: апрель – май) влияние высоты стерни на температуру проявлялось медленнее (сравните 2002 и 1999 гг.). Сильный стресс из-за нехватки влаги, вызванный засухой 2001 года, которая продолжалась до начала июня 2002 года, повлиял на рост и развитие всходов рапса 2002 года. Культура не могла реагировать на различия в микроклимате, связанные с высотой стерни, поэтому высота растений рапса и площадь листового аппарата были одинаковыми как в высокой, так и в задискованной стерне. Сильный стресс снизил различия в затенении между вариантами, которые могли бы проявиться при более благоприятных условиях влажности. Таким образом, сходные количества солнечной энергии, вероятно, проникали сквозь покров к поверхности почвы, что приводило к минимальным различиям в температуре поверхности почвы. Когда условия влажности улучшились и культурные растения смогли реагировать на различия в микроклимате, площадь листового аппарата увеличилась больше у рапса, растущего в высокой стерне. Увеличение тени на поверхности почвы приводило к более низкой температуре на поверхности почвы в высокой стерне по сравнению с задискованной.

Влияние на рост и урожайность культуры

Влияние высоты стерни на рост и урожайность рапса было стабильным в рассматриваемые годы и мало зависело от колебаний погоды как на протяжении одного года, так и разных лет.
Наивысшие показатели рапса по биомассе, урожаю зерна и ЭИВ были отмечены на варианте с высокой стерней и дополнительным удобрением (таблица 3). Высокая стерня с дополнительным удобрением способствовала накоплению рапсом большего количество сухого вещества, повышала урожай зерна и ЭИВ на 15% по сравнению с рапсом в высокой стерне без удобрений. Значит, чтобы достичь максимальной урожайности в полузасушливых прериях, рапс, посеянный в высокую стерню, необходимо удобрять как минимум в том же количестве, что и для черноземной зоны. Однако нужно провести дополнительное исследование по взаимодействию количеств азотного удобрения и вариантов управления стерней с целью пересмотреть нормы, необходимые для выращивания рапса в полузасушливых прериях.
Рапс и горчица, выращиваемые в полузасушливых прериях, могут реагировать на повышенные нормы азотного удобрения при благоприятных условиях влажности почвы (Миллер и др., 2003). Рапс, выращиваемый в высокой стерне с дополнительным удобрением, проявлял тенденцию к использованию максимального количества влаги и формировал больший биологический урожай по сравнению с рапсом, который выращивали в стерне, задискованной осенью. Однако рапс, растущий в высокой стерне с дополнительным удобрением, использовал сходные количества влаги и формировал равный урожай с рапсом на других вариантах, особенно тех, где высокая стерня остается на зиму [т.е. высокая, короткая (весенняя), задискованная (весенняя) стерня]. Использование влаги и величина урожая не зависели от высоты стерни, особенно на тех вариантах, в которых вносилось дополнительное удобрение.
При сравнении различных вариантов высоты стерни, в которых не вносились дополнительные удобрения, была отмечена тенденция у рапса, растущего в высокой стерне, давать больше сухого вещества, чем рапс, выращиваемый в короткой или задискованной стерне (таблица 3). Однако единственное значительное отличие в накоплении сухого вещества рапсом проявилось и между вариантами высокой стерни, задискованной осенью. Таким образом, количество сухого вещества рапса в основном не зависело от высоты стерни. Этот вывод не окончательный, нужны дополнительные исследования, потому что рапс, растущий в высокой стерне, формировал больше зерна и обладал более высоким ЭИВ, чем рапс, растущий в задискованной (весенней или осенней) стерне (таблица 3). По сравнению с задискованной весенней стерней высокая стерня приводила к увеличению почти на 16% урожая и почти на 11% ЭИВ. Урожайность рапса в высокой стерне выше, чем на варианте с низкой осенней стерней. Далее, хотя это и не было значительно выражено, но по сравнению с вариантами стерни, которые перезимовали как высокая стерня [низкая (весенняя) и задискованная (весенняя)], рапс на осенних вариантах показал тенденцию к потреблению меньшего количества воды, меньшего накопления сухого вещества, сформировал меньший урожай с более низким ЭИВ. Это, возможно, объясняется наличием большого количества задержанного снега или более низким испарением на тех вариантах стерни, которые перезимовали как высокая стерня (МакКонки и др., 1997). Урожай и ЭИВ рапса, посеянного в короткую стерню, были средние по сравнению с другими вариантами управления стерней.Basic RGB
В целом реакция рапса на стерню была идентична реакции яровой пшеницы (Катфорт и МакКонки, 1997) и бобовых (Катфорт и др., 2002 а). Общее влияние высокой стерни было постоянно направлено на увеличение урожайности и ЭИВ яровой пшеницей и бобовыми. Однако в отдельные годы преимущества были небольшими и незначительными (Р<0,05). В обоих исследованиях в вегетационный период эвапотранспирация не зависела от варианта управления стерней. В среднем при посеве пшеницы в высокую стерню урожай зерна и ЭИВ увеличивался почти на 12% по сравнению с пшеницей, посеянной в задискованную стерню. Высокая стерня обеспечивала в среднем увеличение урожая бобовых культур почти на 13%, а ЭИВ почти на 16% в сравнении с задискованной. На весенней стерне, куда вносилось одинаковое количество удобрений, было увеличение урожая рапса в среднем почти на 16%, ЭИВ почти на 11% по сравнению с задискованной.
Повышенные урожаи зерна и ЭИВ в высокой стерне (по сравнению с задискованной) объясняются снижением потенциала испарения и увеличением доли эвапотранспирации в общем водопотреблении культуры. Это обеспечивало увеличение эффективности ассимиляции углерода и/или более высокое поглощение фотосинтетически активной радиации (Катфорт и МакКонки, 1997). Однако некоторые исследователи утверждают, что общая польза для культуры от создания микроклимата высокой стерней очень мала. Например, Грейс (2003) настаивает на том, что снижение механического влияния ветра на растения с помощью лесополос было бы лучшим решением повышения продуктивности культуры. Грейс (2003) считает, что механическое воздействие ветра зачастую является большим стрессом. В ответ на это растения изменяют направленность продуктов фотосинтеза с производства зерна на защиту от механических сил, связанных с ветром. Такая реакция проявляется, например, в укреплении стебля или восстановлении поврежденных тканей. В нашем анализе мы представили защиту от механического воздействия как часть общего улучшения микроклимата культуры за счет более высокой стерни. Необходимо провести дальнейшее исследование для оценки относительной важности снижения механического воздействия ветра путем создания благоприятного микроклимата, направленного на увеличение урожая сельскохозяйственных культур.Basic RGB

Выводы

1.    Высокая стерня по сравнению с задискованной положительно изменяет микроклимат в рапсе. Показатели температуры почвы на глубине 5 см, скорости ветра на высоте 15 см, 100 см и 200 см над поверхностью почвы, солнечной радиации у поверхности почвы сильно изменялись при различных видах управления стерней.
2.    Рапс, выращиваемый в высокой стерне с дополнительным удобрением, давал больший урожай и использовал влагу эффективнее, чем рапс в других типах стерни. На полях, которые перезимовывали с высокой стерней и получали рекомендуемые нормы удобрения для полузасушливых прерий, урожай рапса увеличился почти на 16%, а ЭИВ почти на 11% по сравнению с задискованной стерней.
3.    Урожай и ЭИВ рапса, посеянного в короткую стерню, были средними по сравнению с другими вариантами управления стерней.
4.    Управление стерней не влияло на общее водопотребление культуры, увеличение урожайности рапса объясняется повышением ЭИВ.

X. В. Катфорт, С. В. Ангади, Б. Г. МакКонки
Исследовательский центр полузасушливого региона прерий, Канада. Государственный университет, Научный центр сельского хозяйства, США