Влияние погодно-климатических факторов на онтогенез подсолнечника в условиях Оренбургской области

Полный текст

Введение

Сельское хозяйство сталкивается с «идеальным штормом» изменения климата, ростом стоимости удобрений и спроса на продовольствие со стороны населения. Эти факторы указывают на глобальный дефицит продовольствия, если эффективность и устойчивость производства сельскохозяйственных культур не будут повышены. Интенсификация сельского хозяйства сосредоточена на улучшении производства в оптимизированных условиях со значительными агрономическими затратами. Кроме того, интенсивное выращивание ограниченного числа культур резко сужает число видов растений, на которые полагаются люди. Требуется новая сельскохозяйственная парадигма, увеличивающая разнообразие культур, стабильность их урожайности и устойчивость к окружающей среде [1].

При повышении устойчивости сельскохозяйственных культур к последствиям изменения климата акцент делают на последствия изменчивости распределения осадков и температур, включая экстремальные погодные явления. Фермеры сталкиваются с неизбежными рисками, высаживая сорта, которые обеспечивают высокую урожайность и хорошее качество только при оптимальных условиях среды. Селекционеры и агрономы работают над поддержкой фермеров в конкретных целевых средах, но возросшая изменчивость климата означает, что необходимо расширить приспособляемость выращиваемых сортов и повысить стабильность урожайности, чтобы помочь минимизировать риски, вызванные климатом, и повысить устойчивость [2, 3].

Подсолнечник (Helianthus annuus L.) выращивается как масличное, фиторемидиационное и декоративное растение, считается видом, не поддающимся культивированию in vitro [4, 5].

Изменения климата, вызванные естественными причинами или деятельностью человека, представляют угрозу для производства масличных культур во всем мире. Последние достижения в понимании их чувствительности к погоде, климату и уровням определенных газов в атмосфере указывают на то, что влияние этих факторов на урожайность и качество может быть более серьезным, чем считалось ранее. Появляется все больше информации о важности для урожайности наличия экстремальных температур, в частности засухи, на ключевых этапах онтогенеза растений [6–9].

Сельское хозяйство само по себе оказывает значительное влияние на климатическую систему, поэтому необходимо более глубокое понимание обратных связей. Для моделирования изменчивости и изменения климата, а также прогнозирования того, как сельскохозяйственные культуры будут реагировать на различные климатические переменные, требуются сложные модели. Если можно будет сделать прогнозы вероятности возникновения таких событий на предстоящий сезон или гораздо ранее, то можно будет предпринять сельскохозяйственные и другие общественные меры реагирования [10, 11].

Цель исследования — оценка влияния погодно-­климатических факторов на онтогенез подсолнечника в условиях Оренбургской области.

Материалы и методы исследования

Объект исследования — Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ (рис. 1).

Рис. 1. Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ (фаза цветения)
Источник: составлено Н.М. Назарова.
Fig. 1. Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’ (flowering stage)
Source: taken by N.M. Nazarova.

Сорт раннего срока созревания, засухоустойчив. Урожайность на уровне среднего стандарта ^[1]. С недавнего времени возделывается на территории Оренбуржья, особенности онтогенеза в погодно-­климатических условиях региона ранее не изучались.

Климат степной зоны Оренбуржья — резко-­континентальный, характеризующийся недостатком осадков в период вегетации сельскохозяйственных культур [12]. Полевой опыт проводился на базе ботанического сада Оренбургского государственного университета (ОГУ) в период 2021–2023 гг. Почвы опытного участка представлены черноземом обыкновенным среднегумусным среднемощным тяжелосуглинистым. Опытные делянки — трехрядные, повторность в опытах — троекратная. Посев осуществлялся в апреле — мае ручной сеялкой с густотой высева около 60 тыс. шт./га.

Фенологические наблюдения, основанные на регистрации восьми фаз вегетации (посев, появление всходов, образование первой и второй пары настоящих листьев, закладка соцветия, цветение, формирование и налив семянок), проводились с использованием методики, рекомендованной Минсельхозом РФ ^[2], с регистрацией некоторых промежуточных фенофаз, описанных рядом авторов для культуры подсолнечника [13, 14].

Среднесуточные метеорологические данные (температура, осадки, влажность) за каждый вегетационный период получены со стационарной метеостанции, расположенной на территории опытного участка. Расчет уровня влагообеспеченности проведен для каждой фазы онтогенеза по общепринятой формуле расчета ГТК. Интерпретация данных приведена в соответствии со значениями ГТК < 0,5 (условия ирригации) и ГТК > 1 (условия достаточного увлажнения) [15].

Статистическая обработка данных сведена к определению стандартных математических показателей — среднего с ошибкой и коэффициента вариации. Зависимость продолжительности фаз вегетации друг от друга и погодно-­климатических условий Оренбуржья определена с применением ранговой корреляции Спирмена с использованием ПО Statistica 10.0.

Результаты исследования и обсуждение

С целью выявления степени влияния погодных условий на онтогенез подсолнечника в условиях Оренбуржья проведена оценка динамики погодных условий за период 2021–2023 гг. по ключевым параметрам: количество осадков, колебания температуры и влажности с мая по сентябрь. Отмечено неравномерное распределение осадков как по годам наблюдений, так и на протяжении ежегодного цикла фенологического развития растений. Максимум осадков, определяющийся на уровне 1,6 ± 1,5 мм, регистрировался в мае, минимум — 0,4 ± 0,6 — в августе.

Изменчивость показателей год от года значительна, что подтверждается высокими коэффициентами вариации. Несмотря на неравномерность выпадения осадков, влажность воздуха остается стабильной (Cv = 14 %) и равномерно нарастает до середины вегетации, достигая значения 53,3 ± 7,7 % в июле. Затем в августе, ввиду отсутствия достаточно количества осадков, сопряженного с подъемом температуры атмосферного воздуха до 23,8 ± 2,1 °C, влажность воздуха достигает своего минимума, равного 41,8 ± 11,4 %. При этом температура самого жаркого месяца характеризуется низким уровнем изменчивости по годам (Cv = 9 %), а влажность воздуха варьирует значительно (Cv = 30 %) (рис. 2).

Рис. 2. Динамика погодных условий в период вегетации Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ (усредненные данные наблюдений 2021—2023 гг.)
Источник: составлено Н.М. Назарова.

Fig. 2. Dynamics of weather conditions during the growing season of Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’ (average observational data 2021—2023)
Source: compiled by N.M. Nazarova.

С целью определения степени влияния климатических факторов на рост и развитие подсолнечника в условиях Оренбургской области проведены многолетние фенологические наблюдения за ходом вегетации растений от посева до сбора урожая.

На основе регистрации продолжительности межфазных периодов установлено, что количество дней, необходимых для прохождения каждой фазы, варьирует незначительно или в средней степени. Так, от момента посева до появления всходов проходит в среднем около 4 дней. Фаза от образования 2‑й пары настоящих листьев до образования соцветия самая длительная по времени и занимает порядка 29 дней.

Значительно варьируют показатели ГТК и суммы осадков по фенофазам, что подтверждается высокими коэффициентами вариации в ряде фаз (от появления всходов до образования второй пары настоящих листьев и от образования соцветия до начала активного цветения) (табл. 1).

Таблица 1
Средние показатели фенологического развития (по продолжительности межфазных периодов) Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’  по данным наблюдений за период 2021—2023 гг.

Период  онтогенеза

Продолжительность, дни

Сумма  осадков, мм

Сумма активных температур  (> +10°), °C

Влажность, %

ГТК

Общий период вегетации

Среднее

CV , %

Среднее

CV , %

Среднее

CV , %

Среднее

CV , %

Среднее

CV , %

Среднее

CV , %

Посев — всходы

4,3 ± 1,2

26,7

0,3 ± 0,3

75,5

85,0 ± 21,8

25,6

51,1 ± 5,4

10,7

0,04 ± 0,03

66,1

99,0 ± 17

17,0

Всходы —  1‑я пара настоящих листьев

5,0 ± 1,0

20,0

5,3 ± 9,1

70,0

106 ± 27,9

26,3

36,9 ± 7,3

19,7

0,64 ± 1,1

71,0

1‑я пара настоящих листьев —  2‑я пара настоящих листьев

5,3 ± 1,2

21,7

8,5 ± 7,5

87,9

106,5 ± 18,6

17,5

55,0 ± 17,2

31,2

0,60 ± 0,1

7,6

2‑я пара настоящих листьев — образование  соцветия

29 ± 2,6

9,1

36,1 ± 27,5

76,1

620,4 ± 48,1

7,8

51,9 ± 12,5

24,0

0,62 ± 0,5

84,4

Образование соцветия —  цветение

9,3 ± 3,1

32,7

11,3 ± 15,8

89,4

240,7 ± 58,9

24,5

51,1 ± 12,6

24,6

0,41 ± 0,5

82,0

Цветение — формирование семянок

12,0 ± 2,0

16,7

13,8 ± 12,1

87,5

311,9 ± 26,8

8,6

53,2 ± 9,5

17,8

0,71 ± 0,5

66,1

Формирование семянок —  налив семянок

10,0 ± 1,0

10,0

9,3 ± 8,1

86,4

252,4 ± 30,2

12,0

51,7 ± 3,8

7,3

0,33 ± 0,3

86,6

Налив семянок — созревание семянок

31,3 ± 5,5

17,6

10,4 ± 10,0

96,0

726,1 ± 190,1

26,2

46,2 ± 8,1

17,6

0,04 ± 0,06

78,6

Источник: составлено Н.М. Назаровой.

Table 1
Average indicators of phenological development (according to the duration of interphase periods) of Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’, 2021—2023

The period of ontogenesis

Duration, days

Total precipitation, mm

Sum of active temperatures  (> +10), °C

Humidity, %

Hydrothermal index

Total vegetation period

Average

CV , %

Average

CV , %

Average

CV , %

Average

CV , %

Average

CV , %

Average

CV , %

Sowing — germination

4.3 ± 1.2

26.7

0.3 ± 0.3

75.5

85.0 ± 21.8

25.6

51.1 ± 5.4

10.7

0.04 ± 0.03

66.1

99.0 ± 17

17.0

Shoots — 1st pair of true leaves

5.0 ± 1.0

20.0

5.3 ± 9.1

70.0

106 ± 27.9

26.3

36.9 ± 7.3

19.7

0.64 ± 1.1

71.0

1st pair of true leaves —  2nd pair of true leaves

5.3 ± 1.2

21.7

8.5 ± 7.5

87.9

106.5 ± 18.6

17.5

55.0 ± 17.2

31.2

0.60 ± 0.1

7.6

2nd pair of true leaves — formation of inflorescence

29 ± 2.6

9.1

36.1 ± 27.5

76.1

620.4 ± 48.1

7.8

51.9 ± 12.5

24.0

0.62 ± 0.5

84.4

Formation of inflorescence — flowering

9.3 ± 3.1

32.7

11.3 ± 15.8

89.4

240.7 ± 58.9

24.5

51.1 ± 12.6

24.6

0.41 ± 0.5

82.0

Flowering — seed formation

12.0 ± 2.0

16.7

13.8 ± 12.1

87.5

311.9 ± 26.8

8.6

53.2 ± 9.5

17.8

0.71 ± 0.5

66.1

Seed formation —  filling of seeds

10.0 ± 1.0

10.0

9.3 ± 8.1

86.4

252.4 ± 30.2

12.0

51.7 ± 3.8

7.3

0.33 ± 0.3

86.6

Filling of seeds — seedmaturation

31.3 ± 5.5

17.6

10.4 ± 10.0

96.0

726.1 ± 190.1

26.2

46.2 ± 8.1

17.6

0.04 ± 0.06

78.6

Source: compiled by N.M. Nazarova.

Суммы эффективных температур и влажность атмосферного воздуха остаются наиболее стабильными (Cv до 26 %), что позволяет предположить, что ход активной вегетации подсолнечника определяется в большей степени именно этими погодными условиями. Общий срок вегетации изменяется по годам в средней степени значимости (Cv = 17 %) и составляет в среднем 99 дней.

На основании полученных данных о ходе фенологического развития Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ в условиях Оренбуржья можно определить зависимость между сроками прохождения межфазных периодов и оценить влияние каждого из них на ход вегетативного цикла подсолнечника в целом, а также достоверно оценить влияние погодно-­климатических условий на прохождение фаз онтогенеза.

Период посев — всходы определяет срок закладки первой пары настоящих листьев, а также формирование и созревание семянок (r = 0,8…0,9, 90 % уровень значимости). От сроков закладки первых настоящих листьев зависит наступление фазы закладки соцветия, цветения и формирования семянок. Общая продолжительность вегетации определяется сроками закладки 1‑й и 2‑й пар настоящих листьев, а также временным промежутком, который необходим для образования соцветия, цветения и формирования семянок (r = 0,9, 90 % уровень значимости) (табл. 2).

Таблица 2
Зависимость продолжительности фенофаз в ходе вегетативного цикла  Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ (коэффициент Спирмена)

Период онтогенеза	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(9)
Посев — всходы (1)	1
Всходы — 1‑я пара настоящих листьев (2)	0,9*	1
1‑я пара настоящих листьев — 2‑я пара настоящих листьев (3)	–0,5	0,1	1
2‑я пара настоящих листьев — образование соцветия (4)	0,1	0,5	0,9	1
Образование соцветия — цветение (5)	0,1	0,4	0,8	0,9	1
Цветение — формирование семянок (6)	0,1	0,4	0,8	0,8	0,9	1
Формирование семянок — налив  семянок (7)	0,9	0,5	–0,9	–0,4	–0,5	–0,4	1
Налив семянок — созревание семянок (8)	0,8	0,9	0,1	0,5	0,5	0,3	0,5	1
Продолжительность вегетации (9)	0,1	0,5	0,9	0,9	0,9	0,9	0,5	–0,5	1

Примечание. * — жирным шрифтом выделены статистически значимые величины при р < 0,1.
Источник: составлено Д.Г. Федоровой.

Table 2
Dependence of the duration of phenophases during the vegetative cycle  of Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’ (Spearman coefficient)

The period of ontogenesis	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(9)
Sowing — germination (1)	1
Shoots — 1st pair of true leaves (2)	0.9*	1
1st pair of true leaves — 2nd pair  of true leaves (3)	–0.5	0.1	1
2nd pair of true leaves — formation  of inflorescence (4)	0.1	0.5	0.9	1
Formation of inflorescence — flowering (5)	0.1	0.4	0.8	0.9	1
Flowering — seed formation (6)	0.1	0.4	0.8	0.8	0.9	1
Seed formation — filling of seeds (7)	0.9	0.5	–0.9	–0.4	–0.5	–0.4	1
Filling of seeds — seed maturation (8)	0.8	0.9	0.1	0.5	0.5	0.3	0.5	1
Duration of vegetation (9)	0.1	0.5	0.9	0.9	0.9	0.9	0.5	–0.5	1

Note. * — statistically significant values are highlighted in bold at p < 0.1.
Source: compiled by D.G. Fedorova.

Усиленное увлажнение необходимо растениям подсолнечника в период посев — всходы при формировании второй пары настоящих листьев, а также от начала цветения до налива семянок (r = 0,9, 90% уровень значимости). В период формирование — налив семянок необходимо не только сохранение достаточной влагообеспеченности, но и высокое значение суммы накопленных эффективных температур. В период налив — созревание семянок степень увлажнения как почвенного, так и атмосферного не является определяющим фактором, созревание семянок зависит от суммы накопленных к этому времени активных положительных температур (табл. 3).

Таблица 3
Зависимость продолжительности фаз вегетативного развития Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ от погодных условий (коэффициент Спирмена)

Фенофазы	Климатические параметры
	Сумма осадков, мм	Сумма активных температур (> +10°), °C	Влажность, %	ГТК
Посев — всходы	0,9*	0,4	0,9	0,9
Всходы — 1‑я пара настоящих листьев	0,3	0,4	0,1	0,2
1‑я пара настоящих листьев —  2‑я пара настоящих листьев	0,9	0,5	0,4	0,3
2‑я пара настоящих листьев —  образование соцветия	0,2	0,3	0,9	0,3
Образование соцветия — цветение	0,3	–0,5	0,2	0,4
Цветение — формирование семянок	0,9	–0,6	0,9	0,9
Формирование семянок — налив семянок	0,9	0,9	0,5	0,9
Налив семянок — созревание семянок	-0,9	0,9	0,3	0,6

Примечание. * — жирным шрифтом выделены статистически значимые величины при р < 0,1.
Источник: составлено Д.Г. Федоровой.

Table 3
Dependence of the duration of the phases of vegetative development of Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’ on weather conditions (Spearman coefficient)

Phenophases	Climatic parameters
	Total precipitation, mm	Sum of active temperatures (> +10°), °C	Humidity, %	Hydrothermal index
Sowing — germination	0.9*	0.4	0.9	0.9
Shoots — 1st pair of true leaves	0.3	0.4	0.1	0.2
1st pair of true leaves — 2nd pair of true leaves	0.9	0.5	0.4	0.3
2nd pair of real leaves — formation of inflorescence	0.2	0.3	0.9	0.3
Formation of inflorescence — flowering	0.3	–0.5	0.2	0.4
Flowering — seed formation	0.9	–0.6	0.9	0.9
Seed formation — filling of seeds	0.9	0.9	0.5	0.9
Filling of seeds — seed maturation	–0.9	0.9	0.3	0.6

* — statistically significant values are highlighted in bold at p < 0.1
Source: compiled by D.G. Fedorova.

По средним метеорологическим данным за 2021—2023 гг. построены климатограммы, которые позволяют визуализировать изменения ключевых погодных параметров (осадков и температуры), оказывающих непосредственное влияние на онтогенез подсолнечника в условиях Оренбуржья. Графики, отражающие динамику изменений, позволяют определить критические периоды недостатка увлажнения. За норму увлажнения в каждую фенофазу принят показатель ГТК > 1, интерпретирующийся как «достаточное увлажнение».

Весь период вегетации 2021 г. характеризовался недостаточным увлажнением на всех этапах фенологического развития. Причем фазы, требующие максимального увлажнения и определяющие продолжительность онтогенеза подсолнечника (всходы, закладка первых настоящих листьев), характеризовались условиями ирригации со значением ГТК, равным 0,06 и 0,07 соответственно. Вегетационный период в этом сезоне составил 86 дней. Причем установлено увеличение количества дней от посева до появления первых всходов и снижение продолжительности периода цветения, формирования и созревания семянок.

В 2022 г. недостаток увлажнения регистрировался в момент посева и появления всходов и затем от момента закладки соцветия до сбора урожая. Вегетационный период этого сезона составил 118 дней. Удлинение вегетационного цикла произошло за счет увеличения количества дней для фаз от появления всходов до закладки соцветия ввиду достаточного увлажнения.

Вегетационный цикл 2023 г. в целом повторяет тенденцию сезона 2021 г. В фенологические фазы, в которых требовалось достаточное увлажнение, также регистрировался критический недостаток осадков, что сократило период вегетации до 93 дней (рис. 2).

Рис. 2. Климатограммы вегетационных периодов Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’: а — 2021 г.; б — 2022 г.; в — 2023 г; пунктиром выделены критические периоды недостатка влаги; 1 — посев – всходы; 2 — всходы – 1‑я пара настоящих листьев; 3—1‑я пара настоящих листьев – 2‑я пара настоящих листьев; 4—2‑я пара настоящих листьев – образование соцветия; 5 — образование соцветия – цветение; 6 — цветение – формирование семянок; 7 — формирование семянок — налив семянок; 8 — налив семянок – созревание семянок
Источник: составлено Н.М. Назаровой.

Fig. 2. Climatograms of the growing seasons of Helianthus annuus L. cv. ‘Poseidon 625’: a — 2021; b — 2022; c — 2023 (dotted lines highlight critical periods of moisture deficiency); 1 — sowing –germination, 2 — germination – 1st pair of true leaves, 3 — 1st pair of true leaves – 2nd pair of true leaves, 4 — 2nd pair of true leaves – formation of inflorescence, 5 — formation of inflorescence –flowering, 6 — flowering – seed formation, 7 — seed formation – filling of seeds, 8 — filling of seeds – seed maturation
Source: compiled by N.M. Nazarova

Заключение

По данным многолетних наблюдений установлено, что продолжительность вегетации Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’ в погодно-­климатических условиях Оренбуржья составляет 99 дней. Самый длительный период онтогенеза приходится на фазы от налива семянок до их полного созревания и составляет в среднем 31 день. Период от посева до появления всходов самый короткий и составляет в среднем 4 дня.

Выявлено, что фаза формирования настоящих листьев, а также период от закладки соцветия до цветения значительно варьируют по годам (Cv до 30 %), что позволяет предположить, что именно эти фазы наиболее чувствительны к погодным условиям конкретного сезона.

Достоверно установлено, что общая продолжительность вегетационного цикла Helianthus annuus L. ‘Посейдон 625’определяется сроками прохождения ряда межфазных периодов — от закладки первой пары настоящих листьев до формирования семянок (r = 0,9, уровень значимости — 90 %).

Выявлены фенологические периоды, требующие оптимального увлажнения: от посева до появления всходов и от цветения до налива семянок. Период созревания семянок не требует повышенного увлажнения, поэтому условия засухи в завершении вегетации не оказывают значимого влияния на онтогенез подсолнечника в условиях Оренбуржья (r = 0,9, уровень значимости — 90 %).

Результаты, полученные в ходе исследования, имеют высокую практическую значимость для агротехники масличных культур независимо от географии региона возделывания и могут быть приняты как руководство для оптимизации сроков посева в зависимости от влагообеспеченности почвы и атмосферного воздуха. Это позволит избежать прогнозируемых критических периодов недостатка увлажнения, что поспособствует стабилизации роста и развития растений подсолнечника и достижению максимальных показателей урожайности.

 

 

_{¹ Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т. 1. Сорта растений. Режим доступа: https://gossortrf.ru/registry/gosudarstvennyy-­reestr-selektsionnykh-­dostizheniy-dopushchennykh-k-ispolzovaniyu-tom‑1‑sorta-­rasteni/poseydon‑625‑podsolnechnik (дата обращения: 06.08.24).}

_{² Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. М. : Минсельхоз России, 2019. 329 с.}

Об авторах

Наталья Михайловна Назарова

Оренбургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nazarova-1989@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7449-0378
SPIN-код: 1242-9420

руководитель научной группы Ботанического сада, старший научный сотрудник НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии»

Российская Федерация, 460018, г. Оренбург, просп. Победы, д. 13

Дарья Геннадьевна Федорова

Оренбургский государственный университет

Email: daryaorlova24@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5323-4965
SPIN-код: 6805-9269

директор Ботанического сада, старший научный сотрудник НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии»

Российская Федерация, 460018, г. Оренбург, просп. Победы, д. 13

Список литературы

Дополнительные файлы