Влияние прецизионного орошения на водный режим и продуктивность озимой пшеницы

Полный текст

Введение

За несколько последних десятилетий в Ростовской области сформировалась тенденция, которая имеет направленность к изменению природно- климатических условий в направлении аридизации, что делает крайне затруднительным возделывание основных сельскохозяйственных культур. Озимая пшеница одна из основных зерновых культур, которые возделываются на юге России, в частности в Ростовской области. Как известно, озимая пшеница эффективно использует осадки, выпадающие осенью и весной, и практически не реагирует на летние засухи, в отличие от яровых культур.

Ранее планировалось, что период до 2020 г. площадь занятая озимыми культурами в Ростовской области, возрастет до 2,5 млн га, при этом на долю озимой пшеницы будет приходиться около 96 % площади, занятой озимыми культурами. Значительная часть пахотных земель на юге Российской Федерации располагается в зоне недостаточного увлажнения, т. е. возделывание на вышеуказанных землях основных сельскохозяйственных культур и получение стабильных урожаев возможно при условии применения орошения. Существующие способы орошения зачастую не отвечают экономическим и экологическим требованиям, которые сложились в последнее время в сельхозтоваропроизводстве, что делает продукцию, получаемую на орошаемых землях, мало конкурентоспособной и мешает восстановлению ранее применяемых оросительных систем [1–3].

В этих условиях совершенствование приемов возделывания сельскохозяйственных культур, в частности озимой пшеницы, должно основываться на рациональном использовании водных, минеральных, энергетических и материальных ресурсов, в связи с чем актуальной становится разработка водосберегающих технологий орошения ^[1] [4–8].

Цель исследования — установить влияние на продуктивность озимой пшеницы прецизионного орошения при различной обеспеченности минеральными удобрениями.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили на орошаемой пашне в Ростовской области. Климат района проведения исследований характеризуется, как засушливый и вместе с тем недостаточно жаркий. Сумма температур за период вегетации сельскохозяйственных культур колеблется в пределе 3000…3200 °C, среднемноголетняя сумма осадков за год — 470 мм, за вегетационный период — 285 мм, Почвенный покров опытного участка представлен черноземом обыкновенным среднемощным низкогумусным на лессовидном суглинке. Содержание гумуса в пахотном слое (0–30 см) составляет в среднем 3,7 %, мощность гумусового горизонта — до 65 см. По гранулометрическому составу почвы по всему профилю представлены в основном суглинками тяжелыми Ст, на глубине 130–160 см переходящие в суглинок средний Сср. Структурное состояние при сухом просеивании и водопрочность агрегатов характеризуются как отличные.

Схема опыта включает 3 повторности. Опыт многофакторный. В опыте изучались различные технологии орошения и минерального питания озимой пшеницы.

Технологии орошения:

1. без орошения;
2. рекомендованная зональными системами земледелия;
3. прецизионная технология.

Поливы по рассматриваемым вариантам опыта проводились в одни и те же сроки, поливными нормами 400 м³/га (по рекомендациям зональных систем земледелия (ЗСЗ)) и 388 м³/га (прецизионная технология). Оросительная норма по ЗСЗ изменялась от 2000 м³/га (5 поливов) в более влажном 2019 г. до 2800 м³/га (7 поливов) в более засушливом 2020 г. По прецизионной технологии соответственно 1552…2366 м³/га. Критерием для назначения полива служил порог 80 % наименьшей влагоемкости в слое почвы 0,6 м.

Под озимую пшеницу удобрения вносились по следующей схеме:

1. без удобрений;
2. N₁₈₀Р₆₅К₄₀ (рекомендованная ЗСЗ);
3. N₁₆₀ Р₆₅К₄₀ (прецизионное внесение).

Азотные удобрения вносились в подкормку в виде аммиачной селитры (34,5 %) в фазу кущения и выхода в трубку. Фосфорные и калийные удобрения вносились под основную обработку. Дифференцированные дозы удобрений при прецизионной технологии рассчитывали на основе данных листовой диагностики и вносили с использованием портативных N-сенсоров, установленных на подкормочных агрегатах.

Общая площадь делянки — 92 м², учетная площадь — 50 м². Учет урожайности озимой пшеницы осуществлялся по методике полевого опыта, обработка полученных результатов проводилась по установленной в математической статистике методике¹.

Применение прецизионных (точных) технологий орошения — это стратегическое будущее конкурентоспособного орошаемого сектора сельского хозяйства

России. Дождевальные машины для этих технологий должны обеспечивать точное управление продукционными процессами орошения сельскохозяйственных культур. Как правило, они должны реализовать самоконтроль качества выполняемых технологических операций в увязке с изменяющимися природно-климатическими условиями [9–11].

Алгоритм функционирования системы управления такой дождевальной машины выглядит следующим образом. Гиперспектральная камера осуществляет съемку растительности в заданном секторе по мере перемещения дождевальной машины. Затем получаемые данные в процессе съемки обрабатываются в режиме онлайн, для чего осуществляется сборка гиперспектральных изображений, по которым определяются вегетационные индексы, полученные изображения разбиваются на участки, за полив которых ответственны отдельно взятые дождеватели, оснащенные управляемыми электромагнитными клапанами.

Учитывая индивидуальные особенности растений на разных почвах и в разных климатических условиях, совершенно ясно, что никаких абсолютно точных показателей для определения влажности почвы получить нельзя. Предлагается метод, который позволит устанавливать, испытывают ли растения стресс от недостатка влажности или нет на каждом сегменте поля [12–15].

Данные о влажности растений по сегментам поля и позиционировании дождевальной машины на поле, полученные дистанционным зондированием с помощью гиперспектральной камеры, установленной на дождевальной машине, обрабатывает установленный на ней же процессор, что позволяет реализовать технологию прецизионного орошения, когда на каждый сегмент поля подается дозированный объем воды с расчетом выравнивания влажности почвы на всем поле при каждом поливе. Представленный метод дает возможность в режиме онлайн производить расчет вегетационных индексов, таких как NDVI и индекса влажности WBI [14, 15].

Результаты исследования и обсуждение

Погодные условия 2018–2019 сельскохозяйственного года можно охарактеризовать как благоприятные для возделывания озимой пшеницы, ее роста и развития. Средняя годовая температура воздуха была выше среднемноголетнего показателя на 0,3 ℃, в период колошения — цветения озимой пшеницы средняя температура превышала многолетний показатель также на 0,3 ℃ (табл. 1). Средняя температура воздуха за период вегетации озимой пшеницы на 0,6 ℃ превышала среднемноголетнее значение. Среднегодовое количество осадков было значительно больше среднемноголетнего показателя, однако распределение их по году крайне неравномерное. Озимая пшеница положительно реагирует на посев в хорошо увлажненную почву и высокие запасы влаги в почве весной. Крайне требовательны зерновые культуры во влаге в почве в межфазном периоде выхода в трубку — колошения. В этот период выпало 93 мм осадков, что практически равно среднемноголетнему значению. Влажность воздуха в среднем за год была на 4 % ниже среднемноголетнего показателя. В этом году сложились достаточно хорошие условия для перезимовки озимой пшеницы — по мощности снежного покрова и температура воздуха.

Таблица 1. Метеоданные по сельскохозяйственным годам проведения исследований (по данным метеостанции г. Ростова‑на‑Дону*)

Показатели	Годы исследований		Среднемноголетние значения за период 2008–2019 гг.
	2018–2019	2019–2020
Средняя температура воздуха, ℃	11,3	11,8	11,0
Средняя температура воздуха за период вегетации озимой пшеницы, ℃	19,1	16,7	18,5
Cумма осадков, мм	710	464	614
Количество осадков  за вегетацию, мм	301	164	243
Средняя относительная влажность над поверхностью земли, %	68	65	72
Средняя температура воздуха зимы, ℃	–0,7	2,1	–0,4
Мощность снежного покрова, см	7,7	4,5	4,5

* Метеоданные взяты с http://www.pogodaiklimat.ru/climate/34730.htm

Table 1. Weather data for agricultural years of research (according to the weather station of Rostov‑on‑Don*)

Indicators	Years		Average long‑term data  (for 2008–2019)
	2018–2019	2019–2020
Average air temperature, ℃	11.3	11.8	11.0
Average air temperature during winter wheat vegetation period, ℃	19.1	16.7	18.5
Precipitation, mm	710	464	614
Precipitation per vegetation, mm	301	164	243
Average relative humidity at the surface, %	68	65	72
Average air temperature in winter, ℃	–0.7	2.1	‑0.4
Snow height, cm	7.7	4.5	4.5

*Meteorological data are from http://www.pogodaiklimat.ru/climate/34730.htm

Погодные условия 2019–2020 сельскохозяйственного года (см. табл. 1) существенно отличались от предыдущего периода, их можно считать менее благоприятными. Так средняя годовая температура воздуха была выше среднемноголетнего показателя на 0,8 ℃, в период колошения цветения озимой пшеницы средняя температура превышала многолетний показатель на 0,3 ℃. За период вегетации озимой пшеницы средняя температура воздуха была на 1,8 ℃ ниже среднемноголетнего значения. Среднегодовое количество осадков в 1,3 раза меньше среднемноголетнего показателя, и распределение их по году крайне неравномерное. В период выход в трубку — колошение сумма выпавших осадков была на 7 мм ниже среднемноголетнего значения. Влажность воздуха в среднем за год была на 7 % ниже среднего показателя, зимой мощность снежного покрова была ниже, чем в предшествующий сельскохозяйственный год, а температура воздуха выше.

Наиболее критическим, влияющим на качество зерна периодом для озимой пшеницы считается период цветения — молочно-восковой спелости. Критические периоды по срокам их наступления могут зависеть от целого ряда факторов: почвенно-климатических условий, запасов влаги, содержания питательных элементов, сорта, сроков сева, предшественника. Важно своевременно определить начало наступления критического периода с целью своевременной корректировки нормы орошения.

Зачастую складывается противоречивая обстановка, когда на одной опытной делянке растения развиваются крайне неравномерно: те, что находятся в массиве, более медленно созревают, чем те, которые располагаются по краям опытной делянки. Наступление каждой фазы устанавливают глазомерно по внешним морфологическим признакам растения, характеризующим количественные и качественные изменения, происходящие в живом организме.

По годам проведения исследований существенно различалась сумма осадков за вегетацию озимой пшеницы. В 2019 г. этот показатель был выше среднемноголетнего в 1,2 раза, а в 2020 г. наоборот, за вегетацию осадков выпало в 1,5 раза меньше среднемноголетнего значения. Мы исследовали режимы орошения озимой пшеницы на вариантах опыта, в которых озимая пшеница возделывалась без орошения и удобрения, т. е. заведомо закладывался дефицит влаги и питательных веществ, а также вариантах, в которых эти лимитирующие факторы имели оптимальные показатели. Получили данные по урожайности озимой пшеницы, предшественником которой по годам проведения исследований являлся лук, возделываемый на репку (табл. 2).

Таблица 2. Урожайность озимой пшеницы по различным вариантам опыта  по непаровому предшественнику

Вариант	2019 г.		2020 г.
	Суммарное водопотребление, м3/га	Урожайность, т/га	Суммарное водопотребление, м3/га	Урожайность, т/га
Без орошения
Без удобрений	3265	2,43	2742	2,39
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	3422	3,56	3241	3,50
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	3509	3,84	3305	3,71
80 % НВ в слое 0,6 м (рекомендованный ЗСЗ)
Без удобрений	5681	4,28	4682	4,10
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	6098	6,80	5205	6,53
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	6130	7,90	5430	7,48
Прецизионное орошение
Без удобрений	5543	4,83	4987	4,34
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	5964	7,20	5743	7,06
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	5896	8,69	5623	8,25
НСР05	0,79		0,84

Table 2. Yield of winter wheat after non‑fallow forecrop

Variant	2019		2020
	Total water consumption, m3/ha	Yield, t/ha	Total water consumption, m3/ha	Yield t/ha
No irrigation
No fertilizer	3265	2.43	2742	2.39
N180Р65К40 (recommended by CCP)	3422	3.56	3241	3.50
N160 Р65К40 (precision application)	3509	3.84	3305	3.71
80 % FC in 0.6 m layer (recommended by CCP)
No fertilizer	5681	4.28	4682	4.10
N180Р65К40 (recommended by CCP)	6098	6.80	5205	6.53
N160 Р65К40 (precision application)	6130	7.90	5430	7.48
Precision irrigation
No fertilizer	5543	4.83	4987	4.34
N180Р65К40 (recommended by CCP)	5964	7.20	5743	7.06
N160 Р65К40 (precision application)	5896	8.69	5623	8.25
LSD05	0.79		0.84

Согласно табл. 2, среднее суммарное водопотребление по различным технологиям орошения и внесения минеральных удобрений на озимой пшенице по годам исследования составило 4804 м³/га.

На вариантах опыта без орошения данный показатель был на 1556 м³/га меньше, при чем разница по годам исследования имеет более существенные различия.

На вариантах опыта, где применялась рекомендованная ЗСЗ, показатель суммарного водопотребления был на 734 м³/га выше среднего значения, а на варианте с прецизионной технологией орошения данный показатель превышал среднее значение по годам исследования и был на 822 м³/га выше среднего значения.

Как известно, озимая пшеница, ввиду особенностей своей вегетации, не способна в значительной степени поглощать почвенные запасы влаги зимой. Она дает дружные всходы при посеве в хорошо увлажненную почву и прекрасно развивается при наличии избыточной влаги весной. В течение весеннее-л етней вегетации в результате суммарного испарения происходит резкое снижение запасов влаги в почве, а их наличие в избыточном количестве в период налива и созревания зерна крайне негативно могут сказаться на количественных и качественных характеристиках полученного зерна.

Наиболее наглядно использование оросительной воды, атмосферных осадков на формирование 1 т товарной продукции отображает коэффициент водопотребления сельскохозяйственной культуры (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициент водопотребления озимой пшеницы в зависимости  от технологии орошения и внесения минеральных удобрений

Вариант	2019		2020
	Коэффициент водопотребления, м3/т	Урожайность, т/га	Коэффициент водопотребления, м3/т	Урожайность, т/га
Без орошения
Без удобрений	1343,6	2,43	1147,3	2,39
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	961,2	3,56	926,0	3,50
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	913,8	3,84	890,8	3,71
80% НВ в слое 0,6 м (рекомендованный ЗСЗ)
Без удобрений	1327,3	4,28	1142,0	4,10
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	896,8	6,80	797,1	6,53
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	775,9	7,90	725,9	7,48
Прецизионное орошение
Без удобрений	1147,6	4,83	1149,1	4,34
N180Р65К40 (рекомендованная ЗСЗ)	828,3	7,20	813,5	7,06
N160 Р65К40 (прецизионное внесение)	678,5	8,69	681,6	8,25

Table 3. Water consumption rate of winter wheat depending on irrigation technology  and fertilizer application

Variant	2019		2020
	Water consumption factor, m3/t	Yield, t/ha	Water consumption factor, m3/t	Yield, t/ha
No irrigation
No fertilizer	1343.6	2.43	1147.3	2.39
N180Р65К40  (recommended by CCP)	961.2	3.56	926.0	3.50
N160 Р65К40  (precision application)	913.8	3.84	890.8	3.71
80% FC in 0.6 m layer (recommended by CCP)
No fertilizer	1327.3	4.28	1142.0	4.10
N180Р65К40  (recommended by CCP)	896.8	6.80	797.1	6.53
N160 Р65К40  (precision application)	775.9	7.90	725.9	7.48
Precision irrigation
No fertilizer	1147.6	4.83	1149.1	4.34
N180Р65К40  (recommended by CCP)	828.3	7.20	813.5	7.06
N160 Р65К40  (precision application)	678.5	8.69	681.6	8.25

Так на вариантах опыта без орошения коэффициент водопотребления озимой пшеницы составил по годам исследования от 890,8 до 1343,6 м³/т, применение рекомендуемой системы орошения позволило сократить его величину до 725,9…1327,3 м³/т. А технология прецизионного орошения обеспечила сокращение значения коэффициента водопотребления до 681,6…1147,6 м³/т. Т.е. вариант опыта с прецизионной технологией орошения и внесения минеральных удобрений обеспечил самое низкое суммарное водопотребление озимой пшеницы и минимальный коэффициент водопотребления из полученных за годы проведения исследований, а также на этих вариантах опыта отмечена максимальная урожайность озимой пшеницы.

Заключение

Проведенные исследования выявили преимущество прецизионной технологии орошения и внесения минеральных удобрений, применение которой в различные по метеорологическим показателям годы обеспечило получение урожая озимой пшеницы в сравнении с рекомендуемой технологией в среднем выше на 0,55 т/га, а в сравнении с вариантами без орошения — на 3,49 т/га.

Внедрение современных высокоточных технологий орошения может сделать сельскохозяйственную продукцию, получаемую на орошаемых землях, более конкурентоспособной. Это в свою очередь послужит хорошим импульсом для развития мелиорации в районах, где наблюдается дефицит осадков и доступных водных ресурсов.

 

_{¹ Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Книга по Требованию, 2012. 352 с.}

Об авторах

Александр Николаевич Бабичев

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Email: babichevan2006@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1146-7530

доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник отдела сельскохозяйственной мелиорации

Российская Федерация, 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, Баклановский проспект, д. 190

Дмитрий Петрович Сидаренко

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Автор, ответственный за переписку.
Email: sidarenko1@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3273-6499

кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник сектора агрофизики мелиорированных земель

Российская Федерация, 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, Баклановский проспект, д. 190

Список литературы