Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84)

УДК 574.42:631/635:502/504

Обоснование природоподобных технологических подходов в агротехнологиях степной зоны Южного Урала в условиях современных климатических и антропогенных изменений*

Ю.А. Гулянов, д-р с.-х. наук, профессор

Институт степи УрО РАН

Одним из важнейших климатических факторов для продуктивного роста и развития сельскохозяйственных культур является тепловой режим почвы и воздуха [1]. Не меньшую роль в формировании устойчивых высокоурожайных агроценозов играет и влагообеспеченность вегетационного периода, особенно в условиях богарного земледелия [2].

В степных регионах РФ температурные условия и приход солнечной радиации практически не лимитируют формирование высоких урожаев традиционных полевых культур, а основным сдерживающим фактором является влагообеспеченность посевов. В связи с этим учёт климатических особенностей местности и их сопоставление с биологическими потребностями сельскохозяйственных культур должны составлять основу технологических мероприятий, направленных на рациональное и эффективное использование биоклиматических ресурсов [3].

В степной зоне Южного Урала, где климатически обусловленный дефицит атмосферного увлажнения в условиях современных климатических и антропогенных изменений сопровождается нестабильностью валовых сборов и низкой урожайностью полевых культур, вопрос о научном обосновании природоподобных технологических подходов в зональных агротехнологиях имеет высокую актуальность.

Цель исследования заключалась в определении климатических ресурсов основных природно-климатических зон Оренбургской области, традиционно занимающихся выращиванием озимых культур, их оценке и обосновании природоподобных технологических подходов, направленных на формирование устойчивых высокопродуктивных агроценозов.

Для выполнения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

– изучить ресурсы влагообеспеченности различных природно-климатических зон Оренбургской области по уровню выпадения атмосферных осадков и проследить их динамику за предшествующий тридцатилетний период;

– изучить ресурсы теплообеспеченности различных природно-климатических зон Оренбургской области и определить степень благоприятности климата по гидротермическому коэффициенту (ГТК) Г.Т. Селянинова;

– провести анализ полученных результатов и определить основные направления эффективного использования гидротермических ресурсов при выращивании озимой пшеницы.

Материал и методы исследования. Источником метеорологических сведений служили размещённые в свободном доступе специализированные массивы для климатических исследований Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации–Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД) [4]. Условия увлажнения территории оценивали по гидротермическому коэффициенту (ГТК) Г.Т. Селянинова [1]. При его значениях в интервале от 1,3 до 1,0 условия увлажнения считали слабо-засушливыми, от 1,0 до 0,7–засушливыми, от 0,7 до 0,4–очень засушливыми и ниже 0,4–сухими. При обработке цифрового материала использовались общепринятые методы статистического анализа.

Результаты исследования. Анализ сведений о выпадении атмосферных осадков и температурном режиме воздуха за тридцатилетний период наблюдений (1990 – 2019 гг.) выявил их заметную динамику в разрезе десятилетий в среднем по годам и сезонам года во всех исследуемых природно-климатических зонах Оренбургской области. Так, в наиболее увлажнённой Северной зоне, среднегодовое количество осадков за период с 1990 по 1999 г. составило 461 мм, а за последующие два десятилетия снизилось на 4,3 % (20 мм) и оказалось равным 441 мм. Среднегодовая температура воздуха при этом практически не изменилась–при среднем за тридцатилетие значении в 5,0 °С за период с 1990 по 1999 г. она равнялась 5,1 °С, а в последующие периоды с 2000 по 2009 г. и с 2010 по 2019 г. составила соответственно 4,8 °С и 5,0 °С.

Наиболее стабильной по среднегодовому количеству осадков оказалась Западная зона. Здесь осадков выпадает около 400 мм в год, а в разрезе анализируемых десятилетий их было зафиксировано в среднем 399, 419 и 382 мм. При этом, так же как и в Северной зоне, здесь обозначилась тенденция к уменьшению количества осадков в последнее десятилетие. В то же время на анализируемой территории выявлено самое стремительное повышение среднегодовой температуры воздуха, выросшей с 4,0 °С за период с 1990 по 1999 г., до 5,8 °С (на 1,9 °С, или 45 %) в период с 2010 по 2019 г.

В Центральной зоне области при больших ресурсах тепла за счёт повысившейся с 4,9 °С (за 1999 – 2009 гг.) до 6,0 °С (за 2010 – 2019 гг.) среднегодовой температуры воздуха осадков выпало на 88 мм (19,6 %) меньше, чем в Северной зоне, и на 40 мм (10,0 %) меньше, чем в Западной. Их среднегодовое количество наиболее заметно снизилось за последнее десятилетие (на 41 мм), составив только 332 мм, или 89 % от среднего значения за предшествующие 20 лет.

Наиболее скудной на осадки при самой высокой в области среднегодовой температуре воздуха, выросшей до 6,1 °С, традиционно является Южная зона. На указанной территории отмечается и самое быстрое снижение количества атмосферных осадков. При их среднем за тридцатилетний период (1990 – 2019 гг.) количестве в 340 мм в год за последнее десятилетие зафиксировано только 288 мм, т.е. меньше на 52 мм, или на 15,2 %.

При выращивании сельскохозяйственных культур в условиях богарного земледелия наибольший интерес представляют условия увлажнения периода активной вегетации (со среднесуточными температурами выше 10 °С), оказывающие наибольшее влияние на формирование полноценного урожая.

В результате проведённого нами исследования установлено, что за анализируемый тридцатилетний период условия увлажнения заметно ухудшились во всех территориях. Об этом убедительно свидетельствует существенно снизившаяся величина гидротермического коэффициента (ГТК по Селянинову), как за счёт сократившегося количества осадков, так и за счёт выросшей суммы активных температур (табл. 1). При общей засушливости климата Оренбургской области в Северной зоне ГТК за период с 1990 по 2019 г. понизился до 0,93 (на 0,19 ед.), в Западной–до 0,75 (на 0,14 ед.), в Центральной – до 0,72 (на 0,12 ед.) и в Южной–до 0,47 (на 0,23 ед.).

1. Условия увлажнения периодов активной вегетации полевых культур по природно-климатическим зонам Оренбургской области

В соответствии с принятой градацией современные условия увлажнения в Северной и Западной зонах области следует характеризовать как засушливые, в Центральной–как очень засушливые, в Южной – пограничные между очень засушливыми и сухими.

Ещё более критические условия увлажнения складываются в летние месяцы (июнь–август), как наиболее вероятные для вегетации большинства полевых культур (рис. 1).

ГТК летнего периода за тридцатилетний период наблюдений значительно понизился во всех природно-климатических зонах – до 0,62 и 0,50 (очень засушливые условия увлажнения) в Северной и Западной зонах и до 0,38 – 0,26 (сухие условия увлажнения) – в Центральной и Южной зонах соответственно.

Вызывает особую обеспокоенность усиливающаяся засушливость последнего летнего месяца. За последнее десятилетие август перешёл в категорию самых сухих месяцев года, с ГТК от 0,47 – 0,46 в Северной и Западной зонах области, до 0,35 – 0,20 – в Центральной и Южной.

Как известно, для получения дружных и полных всходов озимой пшеницы, хорошо раскустившихся и способных безболезненно переносить невзгоды зимнего периода [5], наряду с летними месяцами не менее важными являются и условия увлажнения осеннего периода.

Как показали наши наблюдения, на фоне практически повсеместного снижения количества атмосферных осадков в осенний период и повышения суммы активных температур условия вегетации озимой пшеницы постепенно ухудшаются ввиду существенного понижения ГТК (табл. 2).

2. Условия увлажнения осеннего периода активной вегетации озимых культур по природно-климатическим зонам Оренбургской области

Так, в Северной зоне области его величина за анализируемый тридцатилетний период понизилась от 1,36 до 1,02, в Западной и Центральной – от 1,00 до 0,91 и от 0,72 до 0,71 соответственно. Самые неблагоприятные по увлажнению осеннего периода условия вегетации озимой пшеницы сегодня складываются в Южной зоне, где ГТК в среднем за 2010 – 2019 гг. составил только 0,54 ед.

Вполне очевидно, что при выявленной устойчивой тенденции повышения засушливости и снижения благоприятности климата для формирования высокопродуктивных агроценозов озимой пшеницы в степной зоне Южного Урала необходим поиск и научное обоснование новационных направлений эффективного использования гидротермических ресурсов.

Низкая, нестабильная урожайность и валовые сборы зерна озимой пшеницы в Оренбургской области в последние десятилетия, неудавшееся расширение посевных площадей при усиливающейся засушливости климата, результаты наших полевых экспериментов и экспедиционных исследований убедительно свидетельствуют, что традиционные технологические подходы в современных условиях увлажнения, в частности влагорасточительные приёмы обработки почвы и посева, не соответствуют биологическим потребностям этой культуры. Они приводят к неэффективному расходованию скудных ресурсов влаги и, как следствие, сопровождаются значительным снижением урожайности по причине формирования изреженных всходов и низкой плотности продуктивного стеблестоя.

Опираясь на результаты полевых экспериментов отечественных и зарубежных исследователей, включая и собственные наработки [2, 3, 6, 7], для стабилизации производства зерна при усиливающейся засушливости климата в степной зоне РФ представляются перспективными природоподобные системы обработки почвы в севооборотах, исключающие глубокую обработку с оборотом пласта. Они включают различные комбинации прямого посева и мелкой поверхностной обработки почвы с максимальным сохранением на поверхности стерни и пожнивных остатков.

В последние десятилетия всё большее распространение в мире [8 – 10] и в нашей стране [11 – 13] получают технологии выращивания зерновых культур вообще без обработки почвы (No-till). Их внедрение сопровождается существенным влагосберегающим эффектом при ощутимом снижении производственных затрат. Примечательно, что подобные технологические подходы успешно осваиваются и в сухостепной зоне при выращивании как яровых, так и озимых культур, в частности озимой пшеницы [14]. Научными учреждениями отдельных регионов РФ уже накоплен обширный научный и производственный опыт. В частности, в рамках научного направления по минимизации обработки почвы и прямому посеву в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр» (В.К. Дридигер) разработаны практические рекомендации, проводится их производственная проверка [15]. К сожалению, до настоящего времени глубоких научных исследований о возможности возделывания озимой пшеницы без обработки почвы применительно к почвенно-климатическим условиям Оренбургского Предуралья не проводилось.

Между тем свидетельством перспективности научного обоснования и разработки природоподобных подходов в земледелии степной зоны Оренбургского Предуралья наряду с успехами земледельцев других степных регионов РФ можно рассматривать самостоятельное возобновление агроценоза озимой пшеницы на том же поле после некачественной уборки и даже визуальное сравнение его продуктивности с соседними обрабатываемыми участками, возделываемыми по традиционной технологии.

Указанный участок был выявлен нами при полевых экспедиционных исследованиях в Центральной зоне Оренбургской области поздней осенью 2018 г. Он выделялся ярко-зелёными полосами плотно взошедшей озимой пшеницы по следу прохода зерноуборочного комбайна на необработанном стерневом фоне и выигрышно отличался от находящихся по соседству посевов озимой пшеницы, размещённых по традиционным парам и характеризующихся изреженностью всходов. Детальный осмотр оригинального участка показал, что все всходы озимой пшеницы сформировались из проросших зёрен или целых колосьев, расположенных под покровом на поверхности почвы или в слое пожнивных остатков, оставленных на поле зерноуборочным комбайном или осыпавшихся (полёглых) до уборки. Растения хорошо раскустились, имели по 5 – 7 побегов кущения и мощную корневую систему, их плотность равнялась 350 – 400 шт / м ² . Потомство отдельных колосьев, зерно из которых не осыпалось и проросло, варьировало от 12 до 29 побегов. В слое растительных остатков наблюдались и не проросшие зерна и колосья, расположенные в основном сверху. Глубина покровного растительного слоя составляла не более 1 – 2 см, однако почва под ним была осязаемо влажной и прохладной.

На соседнем поле, где посев озимой пшеницы осуществлялся по вспаханному с осени и неоднократно в течение лета культивируемому пару, полнота всходов была значительно ниже. Число нормально взошедших растений изменялось от 150 до 250 шт/м ² , т.е. практически вдвое меньше. Почва на глубине закладки узла кущения (3 – 4 см) была сухой. Большинство растений имели только главный побег, и лишь отдельные растения вступили в фазу кущения и имели укоренившийся узел со слабыми побегами кущения.

Этот незапланированный полевой эксперимент стал подтверждением уже устоявшегося в научной среде представления, что мульчированная поверхность необработанного поля полнее сохраняет влагу, повышая полноту всходов и кустистость озимой пшеницы в условиях дефицитного атмосферного увлажнения [12, 13]. Именно таким было атмосферное увлажнение в конце лета и начале осени 2018 г., когда в июле выпало только 20 мм (48,7 % от нормы), из которых 16 мм (80,0 %) имели ливневый характер, в августе–8 мм (23,5 % от нормы) и 15 мм (46,9 %) в сентябре. На наш взгляд, в сложившейся ситуации только растительные остатки, обладающие большей гигроскопичностью по сравнению с почвой, способные увлажняться (отволгнуть) от утренних рос и небольших дождей, ещё и прикрывающие от выдувания почвенную влагу, смогли обеспечить набухание, прорастание семян и формирование плотных всходов. В отличие от них, обнажённая поверхность пахотного пара быстрее теряла влагу и не все высеянные в почву семена смогли полноценно прорасти.

Разница в плотности всходов, сложившаяся на наблюдаемых участках в начале вегетации, сохранилась и в последующие фазы развития, что и определило их урожайность (рис. 2, 3).

Рис. 2 – Возобновившийся посев озимой пшеницы в фазу цветения: налива зерна (А) и поколение одного колоса (Б), июнь 2019 г.

Рис. 3 – Изреженный традиционный посев озимой пшеницы в фазу колошения–цветения, июнь 2019 г.

В возобновившемся агроценозе плотность продуктивного стеблестоя в фазу цветения–налива зерна (рис. 2 А) составляла 250 – 300 шт / м ² , а на отдельных проросших с осени колосьях насчитывалось до 20 колосьев нового урожая (рис. 2 Б). В фазу полной спелости при массе зерна с одного колоса 0,6 – 0,7 г биологическая урожайность составила 1,5 – 2,1 т/га.

На поле с традиционной обработкой парового поля указанные структурные параметры посева оказались значительно ниже (рис. 3).

Биологическая урожайность зерна при плотности продуктивного стеблестоя 130 – 150 шт / м ² и массе зерна с колоса 0,5 – 0,6 г равнялась только 0,65 – 0,90 т/га, т.е. оказалась ниже более чем вдвое.

Примечательно, что в первой половине августа 2019 г. на месте повторно убранных полос озимой пшеницы вновь появились первые всходы, причём среди проросшего отмечались зёрна (колосья) как нового урожая, так и урожая прошлого года.

Безусловно, результаты наших наблюдений никоим образом не следует рассматривать в качестве рекомендаций по выращиванию озимой пшеницы таким нерадивым способом. Но они могут быть использованы в качестве дополнительного аргумента, свидетельствующего о перспективности природоподобных подходов в степном земледелии Оренбургского Предуралья в условиях современных климатических и антропогенных изменений

Выводы. В традиционных для выращивания озимых культур природно-климатических зонах Оренбургской области эффективное использование современных климатических ресурсов наиболее вероятно при реализации природоподобных приёмов в ландшафтно-адаптивных системах земледелия. Среди них следует особо выделить почвозащитные и влагосберегающие приёмы минимальной обработки почвы с формированием мульчирующего слоя, прямой посев (No-till) в необработанную почву, использование адаптивных засухоустойчивых сортов, внесение органических и минеральных удобрений и внедрение других агроприёмов, имеющих влагосберегающую направленность.

_________________

* Статья подготовлена по теме НИР Института степи УрО РАН: «Степи России: ландшафтно-экологические основы устойчивого развития, обоснование природоподобных технологий в условиях природных и антропогенных изменений окружающей среды», № ГР АААА-А17-117012610022-5.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-84-4-9-15

Аннотация

Опубликовано Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84), стр. 9-15