Рахуємо тепло: незамінна система

Сума теплових одиниць допоможе ухвалити рішення з вибору сорту / гібрида та отримати гарантії врожаю

Дорогий читачу! Шістнадцять років тому ми вперше торкнулися цієї теми, вперше віднайшли й зустрілися з Енді Бутсма, найвідомішим світовим ученим, котрий досліджує та пропагує цей напрям в агрономії. Через чотири роки автор надав нам нові статті, які розвинули тему глибше. За відгуками читачів-практиків, це були одні з найважливіших наших публікацій. Вони стосуються системи одиниць накопичення тепла. Це надзвичайно проста та вкрай ефективна в агрономії система, яка допомагає уникнути важких помилок та гарантувати високі результати в рослинництві. Минули роки, всі ми змінилися, однак і зараз ця тема актуальна як ніколи. Тим паче, що в Україні все популярніші сорти сої канадської селекції, тривалість вегетації яких представлена в теплових одиницях, а не в прийнятих у нашій країні групах стиглості, й далеко не кожен здатен зорієнтуватися та ухвалити правильне рішення. Й ще одне. Ми вже давно говоримо про глобальне потепління, про зсування зони Степу до центру України тощо. В матеріалі йдеться про таку проблему й на іншому континенті. Виходячи з прогнозу кліматичних змін, очікується, що сума CHU на Атлантичному узбережжі Канади до 2040 року збільшиться приблизно на 600 теплових одиниць!

Велика кількість дзвінків до редакції змушувала нас шукати ті матеріали, вдаватися до роз’яснень. Та ще й ми свідомі того, що за цей час у поле прийшла велика кількість фахівців, котрі 16 років тому нічого ще не знали про наш журнал. Весни в нас нерідко холодні, затяжні, вносять значні коригування в терміни й технології посівної кампанії. І ми вирішили нагадати вам про цей чудовий інструмент. Зрозуміло, що методика обрахувань CHU вимагатиме певного коригування, виходячи з конкретних умов України. Головне ж – застосування цього інструменту не потребує ніяких інвестицій. Окрім, хіба що, в передплату нашого видання.

Тепло і продуктивність

Продуктивність пізніх ярих культур (сої, кукурудзи, томатів, соняшнику, картоплі й інших), що вирощуються в умовах помірного континентального клімату, вельми залежить від накопичення достатньої кількості тепла (так званих одиниць тепла або суми ефективних температур) за час періоду вегетації. Забезпеченість рослин теплом у період вегетації впливає на рівень розвитку культур, час настання фаз розвитку в період від сівби до дозрівання культур. В Україні теплозабезпеченість культур визначають за сумою активних температур, складеній із середніх добових температур вище +10°C, і сумою ефективних температур, обрахованій як сума середніх добових температур, відлічених від біологічного мінімуму, за якого розвиваються рослини цієї культури (здебільшого за біологічний мінімум приймають +5°С).

У Канаді та США теплозабезпечення культур визначають за кількістю накопичених так званих одиниць тепла (Crop Heat Units – CHU), близьких до звичного терміна – сума ефективних температур. Система розрахунку Crop Heat Units (CHU) ґрунтується на врахуванні щоденних максимальних та мінімальних температур повітря. Хоча не слід забувати, що інші фактори навколишнього середовища, такі як довжина світлового дня (фотоперіод), родючість ґрунту та кількість доступної ґрунтової вологи, також впливають на рівень розвитку культур; але переважно саме теплові умови визначають динаміку розвитку: холодні умови уповільнюють процес дозрівання, а теплі – прискорюють його.

У Канаді система Crop Heat Units (CHU) була розроблена доктором М. Брауном (Університет Гуелф, провінція Онтаріо) впродовж 1960-х рр. і спочатку ґрунтувалася на дослідженнях зв’язку між температурою та рівнем розвитку сої. Згодом польові дослідження показали, що цей зв’язок також можна застосовувати й щодо кукурудзи. Система CHU уперше була використана в провінції Онтаріо, Канада, 1964 р., щоб допомогти фермерам вибирати гібриди кукурудзи, які найбільше підходять для вирощування в цих областях.

Система поступово приймалася до використання в інших регіонах Канади для багатьох рішень при вирощуванні сої та куку­рудзи. Відомо, що гібриди кукурудзи та сої класифікують за потребою кількості накопичених теплових одиниць (за сумою ефективних температур) для досягнення зрілості. Наявність достатньої кількості теплових одиниць легко вираховується для різних регіонів, де вирощуються культури, щоб визначити, які гібриди / культурні сорти можуть підходити для вирощування в кожному регіоні.

Рахуємо тепло за формулою – Crop Heat Units

Crop Heat Units вираховується, виходячи зі щоденної максимальної та мінімальної температури повітря шляхом визначення відношення між рівнем розвитку та температурою. Формула, що використовується для обчислення щоденного накопичення одиниць тепла, розраховується триступінчасто:

• спочатку розраховують за максимальним щоденним значенням:

Ymax = 3,33 (Tmax – 10,0) – 0,084 (Tmax – 10,0)2,

за умови, що Tmax = або < 10,0, то Ymax = 0,0;

• другий крок – розрахунок за мінімального щоденного значення:

Ymin = 1,8 (Tmin – 4,44), 

якщо
Tmin = або < 4,44, то Ymin = 0,0;

• третій крок – розрахунок за середнього щоденного значення накопичення одиниць тепла:

CHU = (Ymax + Ymin) / 2,0.

Сума одиниць тепла, що накопичилися, визначається шляхом підсумовування щоденних значень CHU, починаючи з передбачуваної дати сівби й закінчуючи передбачуваною датою завершення вегетаційного періоду (використовуючи середні багаторічні дані по області). Початкова та кінцева дати можуть змінюватися, виходячи з погодних умов кожного окремого року.

Визначаємо CHU на практиці

Точніше визначення початку фаз розвитку

Система CHU є незамінною для оцінки потреби гібридів / культурних сортів кукурудзи, сої, картоплі в певній температурі та для встановлення придатності вирощування цих гібридів / культурних сортів у кожному кліматичному регіоні. Система CHU достовірніша порівняно з рекомендацією для гібридів згідно з кількістю днів, яка їм потрібна для вегетації, наприклад ранжування гібридів кукурудзи, як 100-денних або 120-денних, що часто робилося в минулому. Термін, необхідний для визрівання 100-денної кукурудзи, змінюватиметься залежно від накопичених теплових одиниць у місцевості, де вона вирощується, а отже, не завжди є надійним показником групи стиглості гібрида.

Успіх системи CHU ґрунтується на тому факті, що сума щоденних теплових одиниць від сівби до достигання цього гібрида кукурудзи або культурного сорту сої – величина менш змінна, ніж кількість днів, потрібна для досягнення зрілості.

Систему CHU часто порівнювали з іншими системами теплових одиниць, які використовуються в Північній Америці, і постійно підтверджувалося, що за допомогою системи CHU точніше можна визначити час настання фаз розвитку культур порівняно з іншими системами. Особливо добре ця система працює щодо кукурудзи та сої, позаяк рівень розвитку цих культур значною мірою залежить від температури, хоча багато сортів сої також чутливі до довжини світлового дня. І не слід забувати, що максимальна температура – поняття нелінійне щодо культур. Для кукурудзи та сої максимальна оптимальна температура – +30°С; якщо максимальна добова температура вище, розвиток цих культур різко уповільнюється.

Ще одна перевага системи CHU – це її простота

Щоденні значення можна легко вирахувати за допомогою формул великоформатних таблиць або щодо простих комп’ютерних програм і потім використовувати, знаючи тільки максимальну і мінімальну за добу температуру.

Подібно до багатьох систем теплових одиниць, система CHU не враховує впливу на рівень розвитку культур інших факторів, таких як довжина світлового дня, температура ґрунту, наявність поживних речовин та доступної вологи. Також потрібно зважати на фізіологічні особливості культур, наприклад, розвиток кукурудзи менше залежить від температури після цвітіння, ніж упродовж усієї вегетації.

Вплив інших чинників, зокрема довжини фотоперіоду, рівень розвитку культур було предметом різних досліджень. Триваліший фотоперіод (наприклад на північних широтах) схильний трохи уповільнювати вегетацію кукурудзи, але може нівелюватися особливо за високої температури повітря, й варіює залежно від гібрида.

Соя – це рослина короткого дня, вона реагує зовсім не так, як більшість інших культур помірного періоду, тобто подовження фотоперіоду (збільшення світлового дня) викликає затримку цвітіння сої.

Отже, в північних регіонах її вирощування може бути обмежене не лише прохолодними температурами, а й тривалішим світловим днем. Ступінь залежності сої від довжини світлового дня істотно варіюється в багатьох сортів. Сорти, які дозрівають пізніше, більше схильні реагувати на довжину світлового дня, ніж ті, що дозрівають раніше.

Істотним фактором може бути наявність або відсутність обробітку ґрунту в технології вирощування. Наприклад, за системи землеробства No-till часто спостерігається уповільнений розвиток пізніх ярих культур на початкових етапах зростання. Це зумовлено нижчою, порівняно з традиційною системою обробітку, температурою ґрунту, яка викликана затіненням ґрунту пожнивними рештками, які відбивають світло (світлий колір рослинних решток відбиває більше світлових променів, ніж темна поверхня ґрунту) і більшим умістом вологи в ґрунті. У Кукурудзяному поясі США дослідження показали, що за No-till температура ґрунту може бути нижчою на 2°С ніж за традиційної системи на ранніх стадіях росту культур і тим самим відтермінувати дозрівання кукурудзи та сої. Також добре відомо, що стрес під час посухи впливає на врожайність, але його вплив на рівень розвитку менш вивчений.

Відомо, що нестача в ґрунті вологи також може затягнути настання деяких фаз розвитку. Особливо чутливі рослини кукурудзи до вологи на початку стадії утворення волоті, утворення прий­мочок на жіночому суцвітті – качані. Нестача вологи також скорочує тривалість фази наливу зерна в кукурудзи. У сої, навпаки, нестача вологи призводить до більш раннього цвітіння, появи, наповнення та дозрівання бобів.

Щоб практично застосовувати систему CHU, необхідно побудувати карти зон накопичення теплових одиниць, відштовхуючись від кліматичних даних регіонів. У своїй роботі під час консультацій з питань рослинництва в провінції Онтаріо, Канада, ми користуємося такою уточненою картою. Середня доступна сума CHU для вирощування куку­рудзи на зерно варіюється від низької близько 2300 теплових одиниць у північних областях (приблизний мінімум, необхідний для вирощування кукурудзи на зерно) до високої – 3500 теплових одиниць у найбільш південному регіоні. В Україні будуть свої показники.

Дати настання різних фаз роз­витку (наприклад, поява сходів, утворення волоті, утворення качанів і фізіологічна стиглість) реєструються для кожного гібрида. У провінції Онтаріо вважається, що зернова кукурудза досягла фізіологічної стиглості, коли вміст вологи в зерні становить 32 % (наявність чорної точки на зернівках кукурудзи), що настає безпосередньо перед приморозками або приблизно наприкінці осені. Додаткове підсихання зерна відбувається до моменту збирання кукурудзи, але в цей час більшість процесів фізіологічної активності, спрямованих на накопичення сухої речовини в зерні, вже припинилася. Сума теплових одиниць, накопичена з часу сівби та до досягнення 32 % вологості зерна, відзначається для кожного тестового року та для кожного гібрида. Може існувати необхідність у певному варіюванні найоптимальнішого рівня стиглості залежно від клімату, тобто в тепліших регіонах (наприклад, Кукурудзяний пояс у США, степова зона України) менший оптимальний уміст вологи може бути придатним.

У провінції Онтаріо фізіологічна стиглість сої визначається як час, коли 95 % стручків стали коричневими. Приблизно через 4 – 5 років проведення дослідів у кількох місцях можна прописати достовірну середню суму теплових одиниць, необхідних для кожного гібрида або сорту. Норми суми CHU для нових гібридів або культурних сортів, які виводяться наступними роками, визначаються шляхом порівняння рівнів стиглості для нових і вже наявних гібридів, що перевіряються, або культурних сортів, для яких норма CHU уже була визначена в польових дослідах, проведених у кількох місцевостях. Потім фермери можуть вибрати той гібрид або культурний сорт, який найкраще працюватиме в умовах суми CHU у їхній зоні.

CHU та зв’язок з урожаєм

Незважаючи на те, що сума теплових одиниць – це насамперед термальний індекс, який відображає потребу рослин у теплі, необхідному для завершення вегетації, існує пряма залежність між середньою сумою CHU та середнім урожаєм. У місцевостях, де вище сума CHU, можна вирощувати пізньостиглі гібриди або сорти, які найповніше використовують тривалість вегетаційного сезону для накопичення сухої речовини й тому мають більший потенціал врожайності, ніж ранні гібриди або сорти. На рис. 1 та 2 показано відношення між середньою доступною сумою теплових одиниць і середніми врожаями кукурудзи й сої на дослідних полях у Східній Канаді. Середній урожай кукурудзи збільшується приблизно на 0,6 т / га за кожного підвищення CHU на 100 теплових одиниць. Середній урожай сої зростає приблизно на 0,13 т / га за кожного підвищення CHU на 100 теплових одиниць. Середній господарський урожай приблизно на 20 % менше, ніж біологічний урожай, отриманий під час дослідів.

Рис. 1. Взаємозв’язок між сумою теплових одиниць та середнім урожаєм зернової кукурудзи в Східній Канаді

Рис. 2. Взаємозв’язок між сумою теплових одиниць та середнім урожаєм сої в Східній Канаді

CHU та дефіцит вологи

У Східній Канаді врожаї куку­рудзи та сої істотно скорочуються в деякі роки, коли спостерігається нестача вологи. Однак дефіцит вологи (визначається як кількість, на яку потенційне сумарне випаровування (РЕ) перевищує кількість опадів (Р) у сезон вегетації) впливає на середній урожай культур схожим чином як у регіонах із низькою сумою CHU, так і в регіонах із високою. На рис. 3 представлена тенденція до збільшення врожаїв кукурудзи зі зростанням дефіциту вологи аж до 150 мм, але це пояснюється тим, що області, де дефіцит вище, схильні до накопичення більшої доступної суми CHU, що стимулює отримання вищих урожаїв. Урожайність кукурудзи знижується, якщо дефіцит вологи перевищує 150 мм.

Рис. 3. Взаємозв’язок між дефіцитом вологи та врожаєм зернової кукурудзи в Східній Канаді

Незважаючи на те, що середні врожаї вищі в областях із високим значенням CHU, не завжди правильно стверджувати, що в роки, коли сума CHU більша за середню, врожаї на окремому місці будуть вищими, ніж у ті, коли сума CHU нижча за норму. У тепліші роки кукурудза дозріє раніше, що дасть менше часу на накопичення органічних речовин і може також піддати рослини більшому стресу від нестачі вологи (підвищується інтенсивність випаровування). Довгострокові прогнози погоди недостатньо надійні, щоб, спираючись на них, фермери могли вибирати гібрид пізньостиглий для сівби в теплі роки, не характерні для цього регіону. Теплі вегетаційні сезони справді сприятливі для кращого дозрівання кукурудзи на момент збирання врожаю (тобто менше вмісту вологи в зерні), що може скоротити витрати на сушіння зерна перед зберіганням. І навпаки, винятково холодні роки можуть призвести до затримки з дозріванням, відкладаючи момент збирання врожаю (більше ризику втрат на полі), й викликати великі витрати на сушіння.

А зернові колосові – не в темі

Цікаво відзначити, що встановлена в Канаді пряма залежність рівня врожаю від суми ефективних температур (на кукурудзі та сої) не спостерігається на всіх зернових колосових культурах. На рис. 4 показано, що врожай ячменю схильний зменшуватися зі збільшенням кількості теплових одиниць (цього разу відлік ефективних температур ведеться від температури вище +5°С, тоді як кукурудзи і сої – від +10°С).

Рис. 4. Взаємозв’язок між ефективними температурами (вище +5°С) та середнім урожаєм ячменю в Східній Канаді

Це здебільшого пояснюється тим, що період вегетації для ячменю скорочується в міру збільшення температури, тим самим залишаючи менше часу для асиміляції (утворення) сухих речовин. Культурні сорти ячменю, які можуть використовувати переваги тривалішого періоду вегетації, поки не виведені. Інші фактори, наприклад, велика захворюваність, менший ступінь чистого вуглецевого обміну та більший дефіцит вологи, можуть також скоротити врожаї ячменю в тепліших регіонах (рис. 5).

Рис. 5. Взаємозв’язок між дефіцитом вологи та середнім урожаєм ячменю в Східній Канаді

Ячмінь, імовірно, чутливіший до дефіциту вологи, ніж кукурудза та соя. Середні врожаї його скоротилися в регіонах із незначним та в регіонах із істотним дефіцитом вологи у Східній Канаді.

Урожай 2055 року

Ми використовували взаємовідносини між сумою CHU та середнім урожаєм для вивчення потенційного впливу кліматичних змін на рослинниц­т­во у Східній Канаді.

За сценарієм прогнозу кліматичних змін, створеного завдяки програмі Канадської глобальної кліматичної моделі (CGCM1-A), очікується, що на Атлантичному узбережжі Канади сума CHU збільшиться приблизно на 600 теплових одиниць до 2040 – 2069 років порівняно з сьогоднішніми значеннями, які зазвичай становлять від 2400 до 2600 теплових одиниць для основних сільськогосподарських областей регіону. Ґрунтуючись на сумі CHU та взаємозв’язку з урожаєм, очікується, що це збільшення сприятиме зростанню біологічного врожаю зернової кукурудзи в середньому приблизно на 3,5 т / га (54 %), а сої – на 0,8 т / га (29 %). Якщо за подібного сценарію станеться деяке зростання дефіциту вологи, то він не вважатиметься досить суттєвим, щоб вплинути на величину середнього врожаю. З цього прогнозу ми можемо скласти прогноз гіпотетичного вироб­ництва (не передбачення, а вірогідний результат) на 2055 р. (табл. 1).

Глобальне потепління і врожайність

При зміні клімату прогнозуються істотні зміни площ посівів унаслідок збільшення врожаїв кукурудзи та сої. Ці прогнози ґрунтуються лише на результаті GCM. Насправді існує високий ступінь варіативності кліматичних змін у майбутньому, що передбачаються різними моделями GCM та прогнозами зміни рівня вуглекислого газу в атмосфері.

Потенційний вплив кліматичних змін на суму CHU також дослід­жувався для провінцій Онтаріо та Квебек у Канаді. У цьому випадку результати ґрунтувалися на прогнозах 11 різних експериментів GCM, які враховують деякі оцінки варіативності кліматичних змін. Зазвичай підраховують, що середні зміни до 2040 – 2069 років становитимуть 700 теплових одиниць для цього регіону в Канаді. Потеп­ління клімату може сприяти підвищенню врожайності, оскільки сума CHU збільшиться приблизно до 3500 теплових одиниць, але після цієї межі врожаї, швидше за все, вирівняються або навіть знизяться, що підтверджують дані прогнозу врожайності в Кукурудзяному поясі США.

Врожайність у Кукурудзяному поясі США та в Україні

Ми досліджували середні врожаї кукурудзи в Кукурудзяному поясі США у взаємозв’язку із середньою доступною сумою теплових одиниць, виходячи з інформації про врожайність, зібрану за даними дослідів із гібридами кукурудзи, проведеними в цьому районі (рис. 6).

Рис. 6. Залежність між сумою теплових одиниць та середніми врожаями кукурудзи на Середньому Заході США. Прогнози врожаїв в Україні є неперевіреними в польових дослідах даними і наводяться виключно з метою ілюстрації

Результати підтвердили, що немає лінійної тенденції збільшення врожаю кукурудзи зі збільшенням суми CHU у цій місцевості (до 3200 теплових одиниць і вище), що найбільше, ймовірно, обумовлено високим дефіцитом вологи. У Небрасці та Міссурі – провінціях із високою сумою CHU – під час проведення дослідів зі зрошенням спостерігалося збільшення врожайності прямо пропорційно до збільшення суми CHU.

За даними, отриманими в США, існує значний розкид у взаємозв’язку між середнім урожаєм кукурудзи та середнім значенням дефіциту вологи (рис. 7).

Рис. 7. Взаємозв’язок між дефіцитом вологи та середнім урожаєм кукурудзи на Середньому Заході США. Врожаї в Україні – це неперевірені польовими дослідами дані, що виходять із результатів дослідів у США, вони наводяться виключно з метою ілюстрації

Важко оцінити тенденцію зниження врожайності до того часу, доки брак вологи не досягне межі приблизно рівня 270 мм, коли вже спостерігається чітка тенденція зниження врожайності. Ми досліджували деякі багаторічні кліматичні дані, спрогнозувавши зміни клімату в майбутньому для двох міст України (Київ та Асканія-Нова), та розмістили дані на рис. 6 та 7. Прогнозовані врожаї для України ґрунтуються на врожайності кукурудзи в США та не перевірені в польових дослідженнях. Середні дані про температуру, кількість опадів, суму ефективних температур та нестачу вологи для відрізків часу в минулому та майбутньому (2040 – 2060 рр.), що використовуються для місцевостей в Україні, наведено в табл. 2.

Методи, що застосовувалися для обчислення суми CHU у Канаді, прийнятні для України. Припустивши, що дані щодо врожаїв в Україні приблизно відповідатимуть скромній тенденції, виходячи з доступної суми CHU, очікується невелике збільшення врожаю кукурудзи (рис. 6). Однак тут не враховувався вплив дефіциту вологи на врожайність. Оскільки в Асканії-Нова прогнозується істотний дефіцит вологи, то прогнозовані врожаї цього регіону (рис. 7) повинні розглядатися як застосовні лише для зрошуваної кукурудзи.

А тепер у вас – багато нової та цікавої роботи

Система Crop Heat Units довела свою функціональність у Канаді, оскільки забезпечує виробників інформацією, яку вони можуть використовувати при вирощуванні кукурудзи та сої, а також інших теплолюбних культур та при прийнятті рішень. Є добрий потенціал застосування цієї системи в Україні та сусідніх країнах для регіонів, де вирощують кукурудзу й сою. Однак ця система в майбутньому має бути перевірена та адаптована за допомогою результатів польових дослідів і кліматичних характеристик для цього регіону. Слід скласти докладну карту сум теплових одиниць для наших місцевостей. Система Crop Heat Units може надати корисну інформацію щодо можливого впливу прогнозованих змін на потенційний біологічний урожай кукурудзи та сої, а також картоплі, томатів і соняшнику.