Как обработка почвы, мульчирование и ирригация влияют на развитие кукурузы. В регионах с чередованием затоплений и засухи урожайность культур часто ограничивается тепловыми, водными стрессами, а также стрессом от недостаточной аэрации почвы в корневой зоне. Но существуют методы и приемы, которые повышают глубину проникновения корневой системы, регулируют запас влаги в почве, меняют ее тепловой режим и помогают избежать затопления культуры на ранних стадиях развития.

Ограничений роста корневой системы, вызываемых твердостью почвы, можно избежать, применяя глубокое рыхление или глубокую вспашку. Механическая обработка почвы способна повысить эффективность использования влаги в условиях ограниченного водоснабжения, а использование мульчи из растительных остатков – существенно изменить гидротермический режим почвы, достичь лучшего укоренения растения и повышения урожайности кукурузы.

Сочетаем методы

Есть множество исследований о влиянии отдельных методов и приемов агротехники на рост и урожайность кукурузы, но существует дефицит информации об эффектах их общего взаимодействия на почвенную среду, развитие корня и растения в целом, использование водных ресурсов, статус воды в растении и урожайность кукурузы. Наша цель заключалась в оценке сочетания различных методов обработки почвы и использования водных ресурсов для смягчения стрессов при производстве кукурузы в условиях чередующихся затоплений и засух на почвах с крупнозернистой структурой. Полевые эксперименты проводились в течение трех лет (с 1991 по 1993 г.) в Пенджабском аграрном университете г. Лудхияна (30° 56’N, 75° 52’E, 247 м над уровнем моря), Индия. Почва представляла собой глубокий аллювиальный глинистый песок с низким содержанием органического углерода (<4 г/кг). В метровом слое почва удерживала от 170 до 74 мм воды.

В 1992 и 1993 годах опыт включал две системы обработки почвы, два режима полива и два варианта мульчи из соломы. В 1991 году исследовались только пахота и полив. Изучались следующие системы обработки почвы:

I) стандартная (CT) – дискование почвы дисковой бороной на глубину 10 см за один проход и два прохода культиватором с последующим боронованием шлейфволокушей;

II) глубокое рыхление (DT) чизелем с расстоянием 40 см на глубину 35-40 см с последующей стандартной обработкой почвы (CT).

Режим полива состоял из орошения с нормой 75 мм (I1) и орошения с нормой 50 мм (I2). Было также два варианта мульчи, размещенной между рядками: 0 т/га и 6 т/га. Все годы культура высевалась в два срока – ранний и общепринятый (в конце мая – начале июня и в конце июня). Как правило, посев кукурузы в этих регионах проводится в начале сезона дождей (то есть в конце июня).

Разрыв от 3 до 4 недель между сроками посева показал, что вегетационные периоды заметно отличаются в отношении водопотребления и осадков (рис. 1). Культура с ранним сроком посева подвержена относительно высокой испаряемости, и на ее долю выпадает меньшее количество осадков по сравнению с культурой с обычным сроком посева, особенно на ранней стадии развития.

Опыт закладывался в четырехкратной повторности с рендомизированным расположением делянок. Площадь делянки составляла 5,4х5 м в 1991 году и 4,2х5 м в 1992 и 1993 годах. Достаточная защитная зона обеспечивала соблюдение одинаковой глубины обработки почвы. Одна часть каждой защитной зоны была использована под оросительные каналы, а другая часть была засеяна кукурузой.

Система удобрения включала 25 кг Р га-1 в виде разовой дозы суперфосфата, 25 кг K га-1 как калийная соль, и 5 кг Zn га-1, как сульфат цинка. Азот (150 кг N га-1) вносился в виде мочевины в три приема в равных дозах: при посеве, через 20 дней после посева (DAS) и через 40 дней после посева (DAS). Кукуруза (сорт Sartaj) высевалась гнездовым посевом с расстоянием 22 см между растениями и 60 см между рядками. Не измельченная солома риса размещалась на соответствующих участках сразу после посева. Сорняки контролировались предвсходовыми гербицидами и ручной прополкой. Для защиты от вредителей культуру дважды обработали инсектицидами. Первый раз использовали Тиодан 35 EC (эндосульфан), а второй раз – Децис 28 EC (дельтаметрин). Урожай убирали с учетной площади 12 м2 вручную. Урожай зерна был скорректирован до 15% влажности. Твердость почвы (СI) измерялась, когда содержание влаги в почве было в состоянии полевой влагоемкости. При уборке урожая поле орошалось перед измерением СI. Содержание влаги в почве определяли гравиметрически до 1,8 м глубины во время сева и уборки урожая. Температура почвы измерялась ртутным термометром с 5-7-дневными интервалами на глубине 0,05 м и 0,10 м в течение вегетационного периода.
Измерялась высота от корня до полной длины верхнего листа десяти промаркированных растений на каждом участке. В 1993 году площадь листьев измерялась при помощи прибора для измерения листовой поверхности (LI-3000, LICOR, США). Сухая масса определялась только в 1992 и 1993 годах. Образцы корней брали в фазу цветения кукурузы в 1991 и 1992 годах на глубине 0,10 м, проникая до максимальной глубины укоренения шнеком 0,05 м в диаметре с единой позиции. Корни из каждой пробы промывали, а длина измерялась по методу пересекающихся линий (Newman, 1966). Температура растительного покрова измерялась только в 1993 году инфракрасным термометром (Telatemp, AG-42) на пяти произвольно выбранных местах участка. Статистическую значимость операций определяли по тесту наименьшей существенной разницы (LSD) с использованием дисперсионного анализа для многофакторного опыта, заложенного по схеме рендомизированных блоков.

Как менялись показатели почвы

Твердость

Чизелевание значительно уменьшило твердость почвы в подпочвенном слое (рис. 2). При глубокой вспашке во время сева индекс твердости уменьшился на 1,49 мегапаскалей на глубине 20-30 см и на 1,71 MPa на глубине 30-40 см по сравнению с традиционной обработкой почвы. Влияние глубокого рыхления на твердость сохранялось в течение всего вегетационного периода, потому что даже при уборке урожая индекс твердости в подпочве был ниже в варианте с глубоким рыхлением (DT), чем в варианте со стандартной обработкой (СТ). Максимальное снижение твердости почвы отмечалось по следу стойки чизеля, разница уменьшалась по мере приближения к средней точке между двумя стойками чизеля.

Температура

В 1993 году мульчирующее покрытие из соломы снизило максимальную температуру почвы на глубине 5 см с 1,4 до 5,9 °C на культуре с ранним посевом и с 0,7 до 5,7 °С на культуре с обычным сроком посева (рис. 3). На культуре, высеянной в обычный срок, измерения температуры были прекращены на 20-й день после посева из-за сильных и частых дождей. Снижение температуры было более ощутимым в начале сезона, когда растительный покров был незначительным, оно было обусловлено влажностью почвы и усиленной солнечной радиацией. Влияние мульчирующего покрытия на температуру на глубине 10 см было аналогичным.

Развитие корней

Эффекты от применяемых технологий приведены за 1992 год (табл. 1). Глубокая обработка почвы и мульчирование имели одинаковое воздействие на глубину проникновения корневой системы растения на фоне режима орошения I1 для культуры с ранним сроком сева. Увеличение на 40 см глубины проникновения корневой системы в варианте глубокой обработки почвы (DT) наблюдалось при отсутствии мульчи, аналогичное увеличение благодаря мульче было и при отсутствии DT. Существенной разницы в глубине укоренения растения с DT или мульчирующим покрытием на фоне с режимом орошения 2 не наблюдалось. Как механическая обработка почвы, так и мульчирование существенно повлияли на индекс длины корня в этом сезоне (RLI). Общий показатель RLI с DT был на 40% выше, чем при СТ. С мульчирующим покрытием он был на 22% выше, чем без мульчи. Обработка почвы и орошение взаимодействовали в своем влиянии на общий RLI, при этом глубокое рыхление обеспечивало более высокий RLI, чем традиционная обработка, но только на фоне с режимом орошения I1. Интересно, что RLI на глубине ниже 10 см с DT был выше, чем при СТ, независимо от режима орошения. В посеве с традиционным сроком сева, ДТ увеличила глубину проникновения корней незначительно, но увеличила общий RLI, также как и RLI на глубине ниже 10см. Хотя влияние DT и мульчи на RLI ниже 10 см были взаимозависимыми. Воздействие мульчи наблюдалось при отсутствии глубокого рыхления, а глубокое рыхление влияло на RLI при отсутствии мульчи.

Данный тип почвы имеет слабую агрегацию и практически не позволяет проникать корням в глубокие слои из-за высокой твердости почвы. Более глубокое проникновение корневой системы при DT по сравнению с CТ объясняется снижением твердости почвы (рис. 2).

Лучший эффект от глубокой обработки почвы наблюдается при раннем севе и режиме орошения I1 чем при обычном сроке сева и режиме орошения I2. Это может быть связано с недостаточным или редким увлажнением почвы дождями или орошением (рис.1). Частое увлажнение почвы орошением или дождевыми осадками аннулирует влияние глубокой обработки почвы на глубину проникновения корневой системы (Gajri и др., 1991, 1994).
Мульчирование изменяло тепловой режим почв, сохраняло поверхность почвы в более влажном состоянии и, следовательно, приводило к улучшению распространения корней в почвенном профиле.

Взаимозависимость между глубокой обработкой и мульчированием в их влиянии на индекс длины корня (RLI) ниже 10 см указывает на то, что эти методы можно использовать в качестве альтернативы для усиления роста корней в зависимости от наличия необходимых ресурсов.

Мульчирование изменяло тепловой режим почвы, сохраняло ее поверхность в более влажном состоянии и приводило к улучшению распространения корней в почвенном профиле.

Существует прямая связь между развитием корневой системы и высотой растений кукурузы, поэтому применяемые методы оказывали влияние как на глубину и плотность укоренения, так и на высоту растений, накопление сухой массы и развитие листовой поверхности.

Высота растений

И глубокая обработка почвы, и использование мульчи привело к увеличению высоты растений, эффекты от орошения были незначительными. На 47-й день после сева в 1992 году и на 44-й день в 1993 году культурные растения на фоне глубокой чизельной обработки были соответственно на 25 и 17 см выше, чем в варианте с традиционной обработкой. Увеличение высоты растений благодаря мульчированию составило 33 и 34 см. При севе в обычный срок увеличение высоты растений в фазе цветения в варианте с глубоким рыхлением по сравнению с традиционной обработкой составило 18 и 16 см. Высота растений за счет мульчи и без нее была соответственно 9 и 62 см в 1992 и 1993 годах. Степень увеличения высоты растений благодаря мульчированию, как правило, была связана с температурой внешней среды и почвы на ранней стадии развития культуры (рис. 1 и 3).

Сухая масса

На накопление сухого вещества влияли только глубокая обработка почвы и мульча (табл. 3). В 1992 году применение мульчирования привело к увеличению производства сухой массы культуры с ранним посевом в течение всего сезона. Однако на культуре, посеянной в обычный срок, мульчирующее покрытие давало эффект только на ранней стадии развития культуры (16 DAS). Хороший результат от глубокого рыхления почвы на накопление сухой массы наблюдался только в период сбора урожая кукурузы с ранним сроком сева.
В 1993 году накопление сухой массы было больше в варианте с глубокой чизельной обработкой, чем в варианте с традиционной обработкой и мульчирующим покрытием. Эффект от глубокого чизелевания был более выраженным на кукурузе с ранним сроком сева, чем с обычным сроком сева. Эффект от мульчи в накоплении сухого вещества был более ощутимым на культуре с обычным сроком сева, чем на культуре с ранним сроком сева. Влияние применяемых технологий на индекс листовой поверхности (ИЛП) было таким же, как и на сухую массу.

Использование воды

При более высоком индексе площади листьев на фоне глубокого рыхления транспирационная потребность культуры повысилась по сравнению с традиционной обработкой. Тем не менее из-за увеличенного количества воды и эффективного ее использования благодаря более глубокому проникновению и лучшему развитию корневой системы при раннем и обычном сроке сева культура использовала соответственно на 16 мм и 11 мм больше воды в условиях DT, чем при СТ, из слоя почвы 60-120 см. В условиях стресса способность растения эффективно использовать накопленную в почве влагу напрямую связана с размером корневой системы.

Температура растительного покрова

Более высокий показатель поглощения воды из почвенного профиля в условиях DT в способствовал улучшению водообеспечения растений, о чем свидетельствуют температуры растительного покрова (табл. 4).

На кукурузе с ранним сроком сева на фоне DT они оставались ниже на 0,9-2,7 °C, чем при СТ, и на 2-5,8 °C ниже с мульчирующим покрытием, чем без него. На кукурузе с обычным сроком сева снижение температуры растительного покрова наблюдалось только под мульчирующим покрытием. Орошение существенно не повлияло на температуру. Более глубокое проникновение и лучшее развитие корневой системы кукурузы при DT и под защитой мульчирующего покрытия (табл. 1) помогло культуре извлечь больше влаги из почвы благодаря увеличению запаса воды, в результате чего уменьшилась длина пути движения воды в почве к корневой системе.

Урожай зерна

Глубокое рыхление почвы способствовало повышению урожая зерна в пяти из шести вегетационных периодов (табл. 5).

Повышение средней урожайности на фоне DT в отличие от CT варьировалось от 10% для кукурузы с обычным сроком сева в 1992 году до 238% для кукурузы с ранним сроком сева в 1993 году.

Разница в реакции культуры на DT была связана с количеством и распределением осадков во времени (рис. 1). На культуре с ранним сроком сева в 1992 году дожди были хорошо распределены во времени и превышали уровень испарения в течение почти всего вегетационного периода. И наоборот, было очень мало дождей с начала посева до 40 дней после него (DAS) и ни одного дождя после 80 дней после посева на культуре с обычным сроком сева в 1993 году. Таким образом, реакция растений культуры с ранним сроком сева на фоне глубокого рыхления почвы была больше (высокая авакотранспирация), чем у растений кукурузы с обычным сроком сева. В среднем орошение и мульчирование, а также DТ привели к увеличению урожайности зерна кукурузы с ранним сроком сева на 1,6 т/га и на 0,5 т/га при обычном сроке сева. Глубокое рыхление обеспечило увеличение урожайности на 2,0 т/га по сравнению с обычной системой обработки независимо от срока посева кукурузы. Результаты других исследований также показали, что эффект от обработки почвы был больше, когда количество осадков было низким (Unger, 1979; Vepraskas и др., 1987;. Arora и др., 1991; Gajri и др., 1991).

Увеличение запаса влаги при режиме орошения 2 (I2) обеспечило повышение урожая зерна кукурузы в оба срока посева в 1991 году. В 1993 году при этом режиме орошения повешение урожайности наблюдалось только в варианте с ранним сроком сева. Интересно, что в эти периоды культура испытывала более высокую потребность в испарении по отношению к количеству осадков, особенно на ранней стадии развития. Орошение взаимодействовало с мульчирующим покрытием на кукурузе с ранним сроком сева как в 1992, так и в 1993 году, а в 1993 году с механической обработкой почвы – только на раннем сроке сева. В 1993 году в варианте с ранним сроком сева увеличение количества поливов от трех до пяти (полив проводили до 40 дня после посева) повысило урожай только на фоне глубокого рыхления (DT). Отсутствие реакции культуры на увеличение снабжения водой при традиционной обработке (СТ) можно объяснить малым размером растения из-за острого дефицита воды в ранний период, что могло ограничить потребность культуры в воде впоследствии.

Реакция растений на мульчирование была более выраженной при режиме полива 1 (I1), чем при режиме 2 (I2). За счет мульчирования повысился урожай кукурузы с ранним сроком посева в 1992 и 1993 годах и с обычным сроком посева в 1993 году. Такую реакцию на мульчирование можно объяснить благоприятным гидротермическим режимом, лучшим ростом корневой системы и улучшением водного обеспечения растений. Низкий урожай кукурузы с обычным сроком сева в 1993 году – это, возможно, результат сильных дождей в течение 10-40 DAS, так как затопление молодых растений кукурузы резко снижает урожай зерна из-за аэрационного стресса.

Анализ урожайных данных в отношении количества и распределения осадков показывает, что отклик кукурузы на глубокую обработку почвы и мульчирование был обусловлен взаимодействием запаса влаги (дождь + орошение) и сезонной испаряемости, что определяло частоту и степень водного стресса. Глубокая и хорошо развитая корневая система (табл. 2), обусловленная лучшими физическими свойствами почвы на фоне глубокого рыхления, улучшила водообеспечение растений. Это помогло смягчить периодически возникающий стресс из-за недостаточности влаги во время роста культуры, что подтверждается характером роста растений. Глубокое рыхление увеличило индекс урожайности по сравнению с традиционной обработкой почвы в 1991 и 1993 годах в оба срока посева, а в 1992 году – только в варианте с ранним сроком сева. Орошение и мульчирование также положительно влияли на величину HI.

Повышение урожайности при глубоком рыхлении почвы было экспоненциально связано с урожаем, полученным на фоне традиционной обработки при различных климатических условиях и методах организации производства (рис. 4). Это свидетельствует о том, что преимущества глубокой обработки почвы будут уменьшаться, так как урожайность растения при стандартной обработке почвы повышается благодаря смягчению стрессов – почвенного, климатического и связанного с организацией хозяйствования.

Участок на графике с урожаями зерна и соответствующим выходом сухой массы для всех технологий и сроков сева (за исключением культуры с обычным сроком сева в 1993 году) также свидетельствует в пользу этих выводов (рис. 5). Все точки данных урожая зерна в течение двух сроков посева в 1992 году, когда дождевые осадки были хорошо распределены во времени и их выпало больше, чем испарилось (слабый водный стресс), находились ближе к границе линии и были размещены вблизи верхней части линии. Однако точки урожая кукурузы с ранним сроком сева в 1993 году находились дальше от границы верхней линии, а также ближе к концу нижней линии. В этом сезоне выпало мало осадков на ранней и поздней стадиях развития культуры. Но сочетание таких приемов, как DTM0I2 (глубокая обработка почвы, отсутствие мульчи, режим орошения I2) и DTMI2 (глубокая обработка почвы, мульча, режим орошения I2), дало более высокий урожай, чем при сочетании других операций. Однако урожай на их фоне пострадал от водного стресса. Для высокой урожайности кукурузы на этих почвах необходимо практиковать более частые поливы, чем мы проводили в варианте с режимом орошения I2.

Выводы

Максимальный урожай кукурузы в этом исследовании был получен при посеве ее в ранний срок на фоне глубокой обработки почвы и мульчирования. Перенесение сроков посева на более ранний период помогло избежать затопления всходов культуры и уберечь их от возможного стресса из-за недостаточности воздуха в почве. Глубокая обработка почвы и мульчирование помогли культуре справиться с механическими и гидротермическими стрессами, вызванными плохим физическим состоянием почвы и климатическими условиями.

 

Каур Гилл, Мээту Чаудари (Kaur Gill, Meetu Chaudhary)
Департамент почв Сельскохозяйственного университета Пенджаба, Лудхияна, Индия