На правах рукописи
Продуктивность, качество зерна и экологическая
устойчивость яровой мягкой пшеницы в
Оренбургском Приуралье
Специальность 06.01.09 – растениеводство
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Оренбург – 2007
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Оренбургский
научно-исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН»
Научный руководитель - доктор географических наук, профессор
Официальные оппоненты: - доктор сельскохозяйственных наук,
старший научный сотрудник
- кандидат сельскохозяйственных наук,
старший научный сотрудник
Ведущая организация – ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет».
Защита состоится 28 сентября 2007 г. в 1400 на заседании диссертационного совета К 006.079.01 при ГНУ «Оренбургский научно-исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН»
Адрес: г. Оренбург, пр. Гагарина, 27/1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского НИИСХ
Автореферат разослан 20 августа 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат сельскохозяйственных наук
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Яровая мягкая пшеница – основная продовольственная культура в Оренбургской области. Ежегодно ее посевы занимают около 1,5 млн. га.
Адаптивное макро-, мезо- и микрорайонирование сельскохозяйственных культур позволяет избежать действия абиотических и биотических стрессов, а также обеспечить наиболее эффективное использование благоприятных факторов окружающей среды (, 1994). Одной из приоритетных задач в этом плане является разработка подходов к созданию оптимального агроэкотипа сорта той или иной культуры для конкретных экологических и производственных условий (, 1952).
Для целенаправленного создания таких сортов необходимо серьезное и глубокое агроэкологическое обоснование признаков будущего сорта или его теоретической модели на базе многолетних работ по селекции и сортоиспытанию в условиях соответствующих природно-климатических зон.
На сегодняшний день для зон Южного Урала отсутствует анализ на основе длительных рядов наблюдений таких вопросов, как влияние факторов среды, в том числе абиотических и биотических стрессоров, на формирование урожайности, качества зерна яровой мягкой пшеницы, вероятности формирования классного зерна за длительный промежуток лет, а также оптимизации структуры посевных площадей под этой культурой, с учетом экономической эффективности ее возделывания. Решение этих задач остается актуальным.
Цель исследований. Разработать параметры продуктивных с высоким качеством зерна, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам агроценозов яровой мягкой пшеницы, адаптированных к природно-климатическим условиям степной зоны Урала.
В задачи исследований входило:
- изучить влияние погодных факторов на продуктивность и качество зерна яровой мягкой пшеницы на базе длительных рядов наблюдений (изучить зависимости в системе «погода – урожай »);
- выявить потенциал качества зерна яровой мягкой пшеницы в изучаемой зоне (изучить зависимости в системах «урожай – качество зерна» и «погода – качество зерна»);
- изучить устойчивость яровой мягкой пшеницы к биотическим факторам поражения (изучить зависимости в системе «болезни и вредители – урожай и качество зерна»);
- сформулировать на базе полученных оценок параметры оптимального агроэкотипа (модели) сорта яровой мягкой пшеницы для соответствующих условий производства товарного зерна.
- разработать подходы и рекомендации по реализации модели агроэкотипа мягкой пшеницы для различных подзон степной зоны Урала.
- дать экономическую оценку эффективности возделывания (расчетной прибыли) идиотипа (модели) сорта яровой мягкой пшеницы для различных природных зон Оренбургского Приуралья.
Научная новизна. Впервые разработаны многомерные регрессионные модели зависимости продуктивности яровой мягкой пшеницы, а также модели развития вредных организмов от факторов погоды за длительный период наблюдений. Выявлено влияние комплекса вредных организмов на урожайность зерна. Установлена роль косвенных показателей качества зерна в хлебопекарной оценке мягкой пшеницы, определен потенциал данных показателей качества для мягкой пшеницы. Разработаны параметры модели оптимального агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы для изучаемой территории.
Практическая значимость исследований. Научно обоснованы параметры моделей сортов яровой мягкой пшеницы для степи и южной лесостепи Оренбургского Приуралья на современном этапе. Определены пути реализации этих параметров в селекционном процессе на основе целенаправленного использования вклада индексов селектируемых признаков в повышение эффективности отборов на продуктивность. Полученные в работе выводы используются в селекционном процессе Оренбургского НИИСХ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Факторы среды и продуктивность яровой мягкой пшеницы: многофакторные регрессионные модели зависимости урожайности зерна от абиотических факторов в изучаемом регионе; построенные на 60-летних рядах наблюдений они имеют на входе 9…12 переменных, что предопределяет исключительные трудности в реализации селекционных и технологических задач.
2. В условиях Оренбургского Приуралья дисперсия прибавки урожайности в селекционном процессе яровой мягкой пшеницы определяется долей влияния (в рамках модели множественной регрессии) так называемого индекса селектируемого признака (отношение элемента структуры более урожайного сорта к тому же элементу менее урожайного сорта). В Предуралье и Зауралье прибавка урожайности достигается примерно одинаково за счет индекса всех трех селектируемых признаков, а в степной и сухостепной зонах Заволжской провинции за счет количества зерен в колосе и массы 1000 зерен.
Для совершенствования агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы в условиях изучаемого региона необходимо использовать индексы селектируемых признаков всех элементов структуры урожайности.
3. Факторы среды и качество заготовляемого зерна и готовой продукции яровой мягкой пшеницы. Природно-ресурсный потенциал изучаемого региона позволяет получать высококачественное зерно яровой мягкой пшеницы, то есть имеются сорта, превышающие нормативы для сильных пшениц (объем хлеба до 1450 мл). Из косвенных методов оценки качества заготовляемого зерна пшеницы мягкой наиболее информативными являются валориметрическая оценка, упругость теста и водопоглотительная способность муки. В многолетнем ряду наблюдений они в 93,9% случаев определяют колебание величины объемного выхода хлеба. Технологические показатели качества зерна подвержены влиянию погодных факторов в течение всего сельскохозяйственного года.
4. Биотические факторы в биоценозе яровой мягкой пшеницы, их влияние на продуктивность и качество зерна. Основными болезнями и вредителями в южной лесостепи Оренбургского Предуралья, из числа изученных нами, оказались мучнистая роса и шведская муха с экономическим порогом вредоносности 18…20% поражающего воздействия для пшеницы мягкой, которые в совокупности детерминировали около 40% дисперсии урожайности зерна.
5. Основные параметры оптимального агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы для степи и южной лесостепи Оренбургского Приуралья.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2003, 2004), а также на заседаниях методической комиссии и Ученых Советов Оренбургского НИИСХ (2002, 2003,2004, 2005).
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ГНУ «Оренбургский научно-исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН», № госрегистрации 01.960.0.10121.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна в рецензируемом журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация написана на 166 страницах компьютерного текста, включает введение, 7 глав, выводы, предложения производству, 35 таблиц, 5 рисунков и 14 приложений. Список литературы содержит 221 источник, в том числе 17 на иностранных языках.
Условия проведения исследований и методика
Природно-климатические условия
Естественная биологическая продуктивность изучаемой территории Оренбургской области, выраженная через биоклиматический потенциал урожайности зерновых культур, составляет для лесостепной Предуральской провинции 2,2…2,3 т с 1 га, степной Заволжской провинции 1,8…1,9, сухостепной Заволжской провинции 1,4…1,5 и степной Казахстанской провинции 1,5…1,7 т с 1 га (, 2002). Влагообеспеченность территории показана в таблице 1.
1. Основные показатели влагообеспеченности природно-сельскохозяйственных провинций Оренбургской области (по: , 2002)
Метеостанция | Среднемноголетние параметры | ||||||||
за год | количество осадков, мм | коэффициент атмосферного увлажнения (КУ) | высота снеж- ного покрова (см) | запас воды в снеге (мм) | |||||
распределение по месяцам ( гг.) | |||||||||
5 | 6 | 7 | 8 | p/∑d | p/f | ||||
Зона лесостепная, провинция Предуральская | |||||||||
Бугуруслан | 423 | 30 | 51 | 57 | 50 | 0,26 | 0,57 | 37 | 105 |
Зона степная, провинция Заволжская | |||||||||
Оренбург | 367 | 26 | 36 | 38 | 31 | 0,18 | 0,40 | 28 | 70 |
Зона сухостепная, провинция Заволжская | |||||||||
Соль-Илецк | 310 | 26 | 31 | 30 | 26 | 0,15 | 0,33 | 26 | 75 |
Зона степная, провинция Казахстанская | |||||||||
Адамовка | 306 | 25 | 41 | 44 | 31 | 0,17 | 0,37 | 25 | 70 |
Айдырля | 342 | 26 | 40 | 47 | 32 | 0,21 | 0,46 | 27 | 77 |
Примечание. P – осадки, f – испаряемость, ∑d – сумма среднесуточных величин дефицита влажности воздуха, Мб; (f=0,45∑d). Высота снежного покрова дана на конец первой декады марта.
Методика исследований
В наших исследованиях моделирование является основным методом обобщения экспериментальных данных; оно составляет сущность системного подхода к изучению сложных систем, в том числе и таких, какими являются агрофитоценозы.
Для проведения исследований привлекались научные отчеты инспектуры госкомиссии Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений по Оренбургской области (по одному ГСУ, репрезентативному (от фр. для каждой природно-сельскохозяйственной зоны) за 60 лет, а также материалы Оренбургского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, опубликованных в климатических справочниках и ежегодниках. Для разработки моделей и схем зависимостей в биоценозе мягкой яровой пшеницы использовались данные по конкурсному сортоиспытанию с 1938 по 2003 год четырех сортоучастков (Аксаковский, Переволоцкий, Соль-Илецкий и Адамовский), находящихся в различных природно-сельскохозяйственных провинциях Оренбургской области: лесостепная Предуральская, степная Заволжская, сухостепная Заволжская и степная Казахстанская соответственно.
Наблюдения и исследования проводились:
- фенологические наблюдения – по методике Госкомиссии Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений (1971);
- оценка технологических качеств зерна – по методике Центральной лаборатории Госкомиссии по сортоиспытанию;
- учет поражения растений болезнями и вредителями – по методике Государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур;
- метеорологические наблюдения – по методике Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (форма ТСХ –8, агрометеорологические бюллетени Оренбургского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды);
- агроклиматическая обработка метеоданных – методами, описанными в работе (1974);
- моделирование связей с помощью пакета прикладных программ "ППП Статграфик";
- интерпретация полученных результатов моделирования с использованием методических пособий по математической статистике Дж. Снедекора (1961), (1979), (1980), (1984) и др.
Регрессионные модели представлены в основном не в виде аналитического выражения, а в табличной форме, которая в информационном плане имеет ряд преимуществ.
Объем выборки, используемой для построения модели, обозначен в виде продолжительности периода наблюдений (например, гг.) или количеством учтенных наблюдений (лет, сортов).
Место в севообороте, основная и предпосевная обработка почвы, норма высева семян, система удобрений, сроки проведения агротехнических работ для изучаемой культуры – принятые на соответствующем госсортоучастке.
Результаты исследований
1. Оценка продуктивности яровой мягкой пшеницы
Исследованиями по моделированию связей урожайности с погодными условиями установлено, что комплекс метеорологических показателей, описывающих дисперсию урожайности зерна, в значительной степени отличается специфичностью для каждого сортоучастка. И эта специфичность характеризуется не только различным набором погодных элементов, но и долей влияния каждого из них на результирующий признак.
В таблице 2 показана регрессионная модель для зависимой переменной, которая определяется как отклонение урожайности от тренда. В связи с тем, что на уровень урожайности влияет не только погода, но и постоянно действующий антропогенный фактор, обусловленный культурой земледелия, принято этот фактор представлять в виде тренда. Тогда отклонения урожайности от тренда будут характеризовать влияние погоды. Отклонения выражены в процентах.
В описании приводимых ниже регрессионных моделей применены следующие сокращения для обозначения независимых переменных: О – сумма осадков, мм; К – коэффициент атмосферного увлажнения, представляющий собой отношение суммы осадков за определенный период к испаряемости (потенциальному испарению) за тот же период; d – дефицит влажности воздуха, мб; t – средняя месячная температура, °С; Ln – натуральный логарифм; √ - корень квадратный. Индексы при переменных означают номер месяца в году, а буква «р» при них - номер месяца предшествующего года.
На Аксаковском ГСУ осадки осенне-зимнего периода в сумме оказывают определяющее влияние на урожай в 31,4% случаев, в том числе твёрдые осадки (О_12p и О_2) детерминируют всего 9,62% дисперсии урожайности зерна, примерно один раз в 10 лет. На летние факторы (не только осадки) приходится 43,6% объяснённой дисперсии зерновой продуктивности яровой пшеницы.
На Переволоцком ГСУ доля влияния зимних осадков на варьирование урожайности увеличивается до 12,38%. И только в сухостепной зоне (Соль-Илецкий ГСУ) разработанная регрессионная модель показывает, что доля влияния зимних осадков на разброс (рассеяние) значений величины урожайности за 60 лет наблюдений составила: (О_12р)2+ (О_1)2 = 27,17%.
В качестве некоторых итогов можно констатировать, что всем природно-климатическим зонам Оренбургского Предуралья, подвергнувшимся исследованию, присущи квадратические зависимости урожайности зерна от величины зимних осадков. При статистической недоказуемости криволинейности этой связи можно говорить об имеющейся в этом направлении тенденции.
2. Зависимость урожайности зерна яровой мягкой пшеницы от факторов погоды
Независимая переменная (факторы погоды) | Коэффициент регрессии | Стандартная ошибка | Т - значение | Уровень значимости | Доля влияния фактора, % |
Соль-Илецкий ГСУ | |||||
Свободный член (О_1)2 (О_12p)2 √(d_4) [(t_6)(t_7)]2 √(О_9p+10p) Ln(t_6+7) О_6+7+8 √(t_6+7) t_8 | -34271,3 0,018 0,014 33,0 0,003 5,7 21912,6 0,267 -7435,9 -2,5 | 8538,7 0,003 0,002 5,8 0,001 1,434 5649,3 0,07 1971,0 0,9 | -4,0 6,2 6,6 5,6 3,1 4,0 3,8 3,9 -3,7 -2,6 | 0,000 0,000 0,000 0,000 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000 0,011 | - 15,84 11,33 6,64 5,33 4,81 2,27 13,72 7,98 3,86 |
Для полной регрессии: R2 = 0,717; уровень значимости=0,00 | |||||
Адамовский ГСУ | |||||
Свободный член [(k_5)·(k_6)·(k_7)]2 [(k_6)·(k_7)·(k_8)]2 k_9 t_6 (k_7)+(k_8) Ln(О_1) Ln(О_7) Ln(О_4) (k_8)+(k_9) k_6 О_9p | 266,8 594,3 -1370,0 109,6 -9,80 724,2 12,7 -47,6 23,3 -345,8 139,2 -0,716 | 64,8 98,4 253,0 26,8 2,8 122,3 4,7 9,1 5,2 76,7 43,3 0,212 | 4,1 6,0 -5,4 4,0 -3,4 5,9 2,7 -5,1 4,4 -4,5 3,2 -3,3 | 0,000 0,000 0,000 0,000 0,001 0,000 0,009 0,000 0,000 0,000 0,002 0,001 | - 27,61 6,58 3,15 5,13 7,01 6,17 4,32 5,27 5,05 5,10 5,34 |
Для полной регрессии: R2 = 0,807; уровень значимости=0,00 |
Степная зона Казахстанской провинции (Адамовский ГСУ) характеризуется ещё меньшей долей влияния зимних осадков на дисперсию урожайности. Существенными оказались только осадки января и то лишь в 6,17% случаев. Но картина выпадения твёрдых осадков в этой зоне отличается от предыдущих. Малая доля их влияния здесь обусловлена небольшой высотой снежного покрова, которая к тому же ещё и слабо варьирует. Следовательно, если в Предуралье на изменчивость уровня урожайности влияют малоснежные зимы, то в Зауралье влияет снежный покров в январе, значительно превышающий среднемноголетнюю высоту. Поскольку таких зим в степной зоне Казахстанской провинции всего 6,17%, снегозадержание здесь может быть оправдано в большинстве лет.
Этапы формирования агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы представляют собой постепенную замену старых сортов на вновь выведенные, лучше адаптированные к местным почвенно-климатическим и производственным условиям. По результатам работы ГСУ за 50 лет в процессе сортосмены наиболее адекватными моделями сортов (агроэкотипами) можно считать для лесостепной зоны сорт Московская 35, для степной и сухостепной зоны Оренбургского Предуралья – Саратовская 42, для степной зоны Оренбургского Зауралья – Саратовская 29. Преимущество этих сортов проявилось по количеству сформировавшихся зерен в колосе и по крупности зерна. Дать сравнительную оценку некоторым недавно районированным новым сортам (Л – 503, Л – 505, Варяг, Альбидум 188, Саратовская 60, Харьковская 12, Прохоровка) на предмет их соответствующего вклада в совершенствование модели (агроэкотипа) сорта не представляется возможным. Для объективных выводов необходим более длительный период их изучения.
К основным компонентам урожая яровой пшеницы относятся: число продуктивных колосьев на единице площади, число зерен в колосе и масса 1000 зерен. Прибавка же в урожайности создается за счет аддитивного влияния различий этих компонентов у сравниваемых сортов пшеницы. Эти различия выражаются как отношение компонента структуры урожая более продуктивного сорта к тому же компоненту менее продуктивного сорта:
Kу
Js = —— ∙ 100,
Kх
где Kу – компонент структуры урожая (например, число зёрен в колосе) более урожайного сорта; Kх – то же, но у менее урожайного сорта.
Величина Js получила название индекса селектируемого признака (В. Е Тихонов, 1996, 2002).
В таблице 3 показан вклад индекса селектируемого признака в превышение урожайности доминирующего по продуктивности сорта. Оценка вклада каждого индекса рассчитана на основе модели множественной регрессии.
Из данной таблицы видно, что в условиях Предуралья и Зауралья преимущество более урожайного сорта над стандартом достигается примерно равнозначно за счёт индекса всех трёх селектируемых признаков.
В Переволоцком и Соль-Илецком ГСУ влияние на прибавку урожайности имеют такие показатели как количество зерен в колосе (68,3 и 68,7 %) и масса 1000 зерен (22,8 и 16,2 %).
В правой части таблицы 3 показаны коэффициенты корреляции между прибавкой урожайности и индексами селектируемых признаков. На изученных сортоучастках переменные с весьма малыми по величине коэффициентами корреляции могут иметь в рамках многомерного анализа наибольшую долю влияния.
В процессе изучения влияния состояния растения (продолжительность периода всходы - колошение, темп накопления вегетативной массы, высота растений, количество сохранившихся к уборке растений, количество зерен в колосе) на прибавку урожайности было установлено, что в Оренбургском Зауралье можно уверенно делать ставку на отбор новых перспективных форм, ориентируясь на индекс вегетативной массы, доля влияния которого на превышение урожайности составляла от 67,4 до 79,0 % в зависимости от предшественника. В Предуралье доля влияния этого фактора значительно меньше (от 53,7 до 55,2). Длина периода всходы - колошение не оказывает влияния на дисперсию прибавки урожайности яровой мягкой пшеницы, влияния периода колошение-созревание также не установлено.
3. Вклад индекса селектируемого признака в превышение урожайности зерна в различных природных зонах Южного Урала
Период, годы | Объём выборки | Доля влияния индекса селектируемого признака на превышение урожайности зерна, % | Коэффициент корреляции величины превышения урожайности зерна с Js селектируемых признаков | |||||
Js количества зёрен в колосе | Js массы 1000 зёрен | Js количества продуктивных колосьев на м2 | Итого (R2) | количества зёрен в колосе | массы 1000 зёрен | количества продуктивных колосьев на м2 | ||
Аксаковский ГСУ Предшественник – оборот пласта многолетних трав | ||||||||
1947–1991 | 36 | 23,1 | 30,2 | 37,2 | 90,5 | 0,48 | 0,40 | 0,09 |
Переволоцкий ГСУ Предшественник – кукуруза | ||||||||
1961–1989 | 26 | 68,3 | 22,8 | 7,3 | 98,4 | 0,83 | - 0,17 | - 0,06 |
Соль-Илецкий ГСУ Предшественник – кукуруза | ||||||||
1961–1987 | 17 | 68,7 | 16,2 | 8,8 | 93,7 | 0,30 | 0,40 | 0,30 |
Адамовский ГСУ Предшественник – чёрный пар | ||||||||
1957–1990 | 30 | 31,7 | 23,6 | 33,2 | 88,5 | 0,56 | - 0,25 | 0,10 |
2. Природно–ресурсный потенциал формирования качества зерна
яровой мягкой пшеницы
Анализ разработанных нами регрессионных моделей показывает, что из всех определяемых Центральной лабораторией Госкомиссии по сортоиспытанию отдельных признаков качества зерна в большинстве лет основная доля влияния на вариацию объемного выхода хлеба приходится на показатель удельной работы деформации теста W, т. е. на силу муки. Однако полностью объяснить дисперсию объёмного выхода хлеба этот показатель физических свойств теста не способен. В различные по погодным условиям годы при оценке набора сортов в конкурсном сортоиспытании его вклад в величину объясненной дисперсии объемного выхода хлеба составлял на Аксаковском ГСУ от 7,8 до 82,9% и на Адамовском ГСУ от 44,8 до 63,7% случаев. Следовательно, для условий степной зоны Урала, как в селекционной проработке яровой мягкой пшеницы, так и при государственном испытании новых сортов самой надёжной оценкой качества зерна будет пробная выпечка хлеба. При использовании других оценок всегда остаётся достаточно шансов для ошибки.
В таблице 4 приводятся регрессионные модели, характеризующие зависимость объёмного выхода хлеба в многолетнем ряду наблюдений у одного и того же районированного сорта.
4. Зависимость объёмного выхода хлеба от косвенных показателей
технологической оценки зерна яровой мягкой пшеницы в многолетнем
ряду наблюдений (для районированного сорта)
Независимая переменная | Коэффициент регрессии | Стандартная ошибка | Т- значение | Уровень значимости | Доля влияния фактора, % |
Аксаковский ГСУ (учтено 14 лет наблюдений) | |||||
Свободный член 1. Оценка валориметра 2. Упругость теста 3. ВПС муки | -657,3 12,9 -3,86 18,8 | 228,7 1,2 0,558 3,4 | -2,9 10,4 -6,9 5,4 | 0,016 0,000 0,000 0,000 | - 41,4 34,5 18,0 |
Для полной регрессии: уровень значимости = 0,000; F-отношение = 51,0; R2 = 0,939; стандартная ошибка оценки = 41,6 см3 | |||||
Адамовский ГСУ (учтено 12 лет наблюдений) | |||||
Свободный член 1. ВПС муки 2. (ВПС муки)2 3. Белок в зерне | -9,94 2996,0 -21,99 -82,7 | 3,48 1033,0 7,55 38,5 | -2,8 2,9 -2,9 -2,1 | 0,021 0,019 0,019 0,064 | - 3,2 23,5 26,8 |
Для полной регрессии: уровень значимости = 0,091; F-отношение = 3,1; R2 = 0,535; стандартная ошибка оценки = 119,3 см3 |
На Аксаковском ГСУ выявленные предикторы объясняют в сумме 93,9% случаев оценки качества зерна яровой мягкой пшеницы при весьма высоком уровне значимости, как полных разработанных моделей, так и каждого коэффициента, входящего в уравнение регрессии.
За 12 лет наблюдений на Адамовском ГСУ информативность изучаемых показателей качества зерна оказалась низкой, что не позволяет говорить об адекватности разработанной модели. Форма связи показателя объёма хлеба с ВПС муки имеет параболическую форму (оптимум функции в районе 68% ВПС муки). Поэтому для построения модели была использована вторая степень показателя ВПС муки.
Многие сорта способны использовать потенциал зоны и могут формировать показатели качества, превышающие нормативы для сильных пшениц. Например, в 1982 году на Аксаковском ГСУ по обороту пласта, сорт Омская 17 имел объём хлеба 1450 мл при 1220 мл у районированного сорта Московская 35. В следующем году также по обороту пласта сорт Оренбургская 6 отвечал по качеству зерна требованиям сильной пшеницы (объём хлеба 1200 мл), тогда как сорт Московская 35 оказался в классе филеров (объём хлеба 990 мл).
За 14 лет наблюдений для условий лесостепной зоны (Аксаковский ГСУ) выявлено влияние почти всех элементов продуктивности (количество взошедших растений, продолжительность периода всходы - колошение, урожайность зерна, темп накопления вегетативной массы, урожайность соломы, высота растений, количество сохранившихся к уборке растений, количество зерен в колосе) на величину объёмного выхода хлеба. Доля влияния каждого из перечисленных факторов характеризуется величинами 4,9…16,8% (при итоговой величине R2 = 0,944). В степной зоне Оренбургского Зауралья основной вклад (56%, при R2 = 0,866) в рассеяние величины объёмного выхода хлеба вносит количество продуктивных колосьев на единице площади.
Роль погодных факторов в формировании белковости зерна яровой пшеницы для условий Оренбургского Предуралья и Зауралья отражена в таблице 5.
Из таблицы 5 видно, что в лесостепной зоне дефицит влажности воздуха в июне и осадки мая являются основными факторами, влияющими в наибольшей степени на вариацию количества белка в зерне. Здесь также выявлен вклад погодных факторов осенне-зимнего периода в вариацию этого показателя, который составил суммарно 16,3+14,0=30,3%.
В степной зоне Оренбургского Зауралья большую часть дисперсии показателя белковости зерна объясняет температура воздуха за летний период.
5. Зависимость белковости зерна яровой мягкой пшеницы от погодных условий
Независимые переменные | Коэффициент регрессии | Стандартная ошибка | Уровень значимости | Доля влияния фактора, % |
Аксаковский ГСУ (учтено 24 года наблюдений) | ||||
Свободный член √d_6 Ln(O_2) (O_5)2 O_9р | 0,016 0,36 0,082 0,0005 0,029 | 1,580 0,078 0,059 0,008 0,0002 | 0,01 0,000 0,002 0,000 0,02 | - 32,4 16,3 15,5 14,0 |
Для полной регрессии: уровень значимости = 0,00; F - отношение = 13,2; R2 = 0,782; стандартная ошибка оценки У = 2,1; средняя по ряду У=13,9% |
Адамовский ГСУ (учтено 22 года наблюдений) | ||||
Свободный член t_6 t_7 О_(10p+11p) О_(5+6+7) Ln (k_5) Ln (d_7) Ln (k_6) | 16,7 0,299 0,814 -0,033 -0,036 0,574 -5,98 0,635 | 3,0 0,123 0,253 0,007 0,007 0,168 2,38 0,268 | 0,000 0,028 0,006 0,001 0,000 0,004 0,025 0,033 | - 8,8 25,2 12,1 9,2 5,4 13,1 7,5 |
Для полной регрессии: уровень значимости = 0,000; F - отношение = 8,7; R2 = 0,813; стандартная ошибка оценки У = 0,58; средняя по ряду У=15,9% |
3. Биологические и агроэкологические факторы развития болезней и вредителей яровой мягкой пшеницы
Один из основных принципов интегрированного подхода к решению проблем защиты растений - анализ динамики популяций вредных организмов и условий окружающей среды, для чего, в свою очередь, требуются многолетние наблюдения за структурой и динамикой популяций ( и др., 1999).
Наибольшее поражение болезнями и вредителями яровой мягкой пшеницы отмечается в лесостепной зоне Предуральской провинции (Аксаковский ГСУ). Из них болезни: мучнистая роса, которая за весь период наблюдений проявлялась 22 года с максимальной степенью поражения 36%, и бурая листовая ржавчина (наблюдалась 13 лет с максимальной степенью поражения до 60%). А среди вредителей – шведская муха. Она наблюдалась 48 лет, с максимальной степенью поражения 41%.
В степной и сухостепной зоне Заволжской провинции пыльная головня наблюдалась 19 и 36 лет соответственно. За эти годы степень поражения данной болезнью достигала 2,4...5,3%. Ржавчина наблюдалась в степной зоне 11 лет с максимальной степенью поражения до 65%. В сухостепной зоне клоп-черепашка повреждал зерно пшеницы до 6%, проявляясь 16 лет. Пилильщик повреждал яровую пшеницу 12 лет, степень поражения достигала 8%.
В степной зоне Казахстанской провинции (Адамовский ГСУ) за период с 1938 по 1990 год пыльная головня проявлялась 14 лет. В отдельные годы степень поражения этой болезнью составляла 7,3%. Шведская муха за этот период повреждала яровую пшеницу 5 раз (до 11% растений и стеблей).
На рисунке 1 показано влияние шведской мухи на урожайность зерна яровой мягкой пшеницы в южной лесостепи Оренбургского Предуралья.
Рис. 1. Урожайность яровой мягкой пшеницы в зависимости от поражения шведской мухой на Аксаковском ГСУ за период 1957 – 1996 гг.
Из этого рисунка видно, что степень пораженности шведской мухой 18 – 20% растений (в период трубкования) является тем пределом (или порогом), за которым и начинается ощутимый ущерб урожаю.
Аналогичная куполообразная кривая получена и для мучнистой росы. Принимая во внимание теоретическое течение функции (сплошная линия на рисунке), можно утверждать, что поражение посева яровой мягкой пшеницы указанным вредителем до 40%, приводит к потерям до 1 т зерна с 1 га относительно оптимума этой функции. Зависимость урожайности как от взаимоотношения с мучнистой росой, так и со шведской мухой оказалась криволинейной. За 38 лет наблюдений мучнистая роса и шведская муха в совокупности детерминировали около 40% дисперсии урожайности зерна яровой мягкой пшеницы.
Восходящая ветвь куполообразной кривой в наших исследованиях выступает в качестве сигнальной информации о благополучно складывающихся взаимоотношениях растения-хозяина и вредного организма, которые позволяют выживать и тому, и другому. Такое состояние равновесия в природе нарушается под влиянием резких колебаний факторов окружающей среды.
В таблице 6 показано влияние погодных условий на развитие вредоносного комплекса. В данной таблице не приводятся коэффициенты регрессии, а приводятся коэффициенты корреляции, основное назначение которых в данном случае – показать направление связи между компонентами погоды и развитием вредных организмов.
В описании независимых переменных использовались те же сокращения, что и в предыдущих главах. Но в указанной таблице индексы при переменных означают порядковый номер декады, начиная с декады всходов изучаемой культуры. Для обозначения сложения значений переменных использовался символ +, для перемножения – символ звездочки.
6. Зависимость степени проявления болезней и вредителей на посевах
пшеницы от погодных условий на Аксаковском ГСУ ( гг.)
Факторы погоды, влияющие на развитие мучнистой росы | Доля влияния фактора, % | Коэффициент корреляции | Факторы погоды, влияющие на развитие шведской мухи | Доля влияния фактора, % | Коэффициент корреляции |
Свободный член | - | - | Свободный член | - | - |
Ln O_5 | 23,15 | -0,50 | (d_6)2 | 4,68 | -0,25 |
О_5 | 18,52 | -0,37 | О_1+2+3+4+5+6+7 | 50,5 | -0,31 |
(d_5)2 | 21,05 | 0,21 | t_4+5 | 4,50 | -0,25 |
√d_5 | 7,30 | 0,22 | √t_1 | 2,55 | 0,11 |
t_1+2+3+4+5+6+7 | 5,67 | 0,15 | d_1 | 6,33 | -0,10 |
О_1+2+3+4+5+6+7 | 3,12 | -0,31 | d_1+2+3 | 6,93 | 0,10 |
d_1*2*3*4*5*6*7 | 2,39 | 0,19 | d_5+6 | 2,75 | -0,07 |
О_1*2*3*4*5*6*7 | 2,66 | -0,15 | t_4*5 | 5,33 | -0,23 |
Итого (R2), % | 83,86 | Итого (R2), % | 83,57 |
Как видно из данных таблицы, развитие мучнистой росы на яровой мягкой пшенице лучше описывается осадками и дефицитом влажности 5-й декады, а развитие шведской мухи в большей степени определяется влиянием осадков за 7 декад от начала появления всходов пшеницы.
Следует обратить внимание на отрицательную корреляцию между развитием поражающего воздействия вредоносных организмов и многими предикторами, входящими в данные регрессионные модели. В этом случае отрицательный знак у коэффициента корреляции указывает на сдерживающее влияние данных погодных факторов на развитие вредителя или болезни.
Чрезвычайно многогранное влияние в изучаемом регионе оказывают болезни и вредители на технологические и хлебопекарные качества зерна яровой мягкой пшеницы. Фрагмент такого анализа показан в таблице 7.
7. Зависимость показателей качества зерна яровой мягкой пшеницы сорта Московская 35 от поражения болезнями и вредителями на Аксаковском ГСУ
Показатели качества зерна | Связь с факторами поражения* | Формальные оценки регрессион- ной модели | ||||
мучнистой росой | шведской мухой | гессенской мухой | хлебным пилиль-щиком | R2 | уровень значимости | |
Объёмный выход хлеба, мл | - | 47,6 0,69 | - | 24,4 -0,10 | 0,72 | 0,00 |
Белок в зерне, % | 20,9 -0,10 | 26,7 0,52 | 24,8 0,49 | - | 0,72 | 0,00 |
Длительность образования теста, мин. | - | 54,8 0,74 | - | - | 0,55 | 0,00 |
Водопоглотительная способность муки, % | - | 64,4 0,80 | - | - | 0,64 | 0,00 |
*Примечание: над чертой – доля влияния фактора; под чертой – коэффициент корреляции.
За годы испытания влияние патогенов в большей степени отмечалось на сорте пшеницы Московская 35. Следует обратить внимание на то, что в значительном количестве случаев наблюдается прямая (положительная) связь между приведенными в таблице показателями качества зерна и поражающими факторами. Особенно отчетливо это проявляется по влиянию шведской мухи (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость водопоглотительной способности муки яровой мягкой пшеницы от повреждения растений шведской мухой на Аксаковском ГСУ
У=60,07+0,531х-0,0077х2±1,71 (R2=0,775; p<0,00013)
4. Параметры идиотипа (модели) сорта яровой мягкой пшеницы
Рост урожайности, обусловленный совершенствованием технологии, зачастую чередуется падением сборов зерна, вызванным ухудшением климатических условий. Необходимо изучать природу засухоустойчивости растений в разные периоды их роста и развития, на основании этих данных группировать методы оценки, учитывая всю совокупность данных.
Анализ влияния условий внешней среды по степени снижения продуктивности районированных сортов относительно наиболее урожайного года (биологических признаков, элементов структуры урожая, показателей качества зерна) позволил автору диссертации обосновать параметры модели сортов для изучаемой территории.
Модель нового сорта яровой пшеницы предполагает формирование биотипа, который бы реализовал указанные параметры для различных типов засухи, т. е. чтобы он превосходил по урожайности современные районированные сорта в этих условиях на 10…15%. В диссертации приводятся разработанные модели агроэкотипа сорта для четырех природно-климатических зон Оренбургского Приуралья. Для сухостепной Заволжской провинции такая модель, оптимизирующая соответствующие характеристики элементов продуктивности на современном этапе, демонстрируется ниже (табл. 8).
8. Основные параметры модели агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы для сухостепной зоны Заволжской провинции
Хозяйственно-биологические и морфологические признаки | Параметры признаков сорта | ||||
благо - приятный год | слабая засуха | средняя засуха | сильная засуха | очень сильная засуха | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Урожайность зерна, т с 1 га | 2,4-2,6 | 1,8-2,1 | 1,4-1,7 | 0,8-1,0 | 0,3-0,4 |
Биологические признаки | |||||
Период всходы – восковая спелость, дни | 80-88 | 79-86 | 79-86 | 72-82 | 71-76 |
Период всходы – колошение, дни | 43-48 | 42-45 | 42-43 | 41-42 | 41-42 |
Высота растений, см | 91-105 | 80-96 | 78-90 | 62-71 | 53-61 |
Устойчивость к полеганию, балл | 3,5-4,0 | 3,5-4,0 | 4,0-4,5 | 4,5-5,0 | 5,0 |
Устойчивость к фитофагам | выше экономического порога вредоносности | ||||
Структура урожая | |||||
Число продуктивных стеблей, шт./м2 | 400-410 | 335-350 | 314-324 | 276-300 | 265-275 |
Количество зерен в колосе, шт. | 20-18 | 17-19 | 12-13 | 9-10 | 5-6 |
Масса 1000 зерен, г | 36-39 | 34-38 | 30-33 | 28-30 | 25-27 |
Продолжение табл. 8
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Качество зерна | |||||
Стекловидность, % | 85-93 | 83-90 | 83-88 | 82-86 | 81-85 |
Объемная масса, г/л | 780-800 | 778-788 | 770-780 | 760-770 | 750-763 |
Белок в зерне, % | 15-18 | 15-17 | 15-18 | 15-17 | 16-17 |
Клейковина в зерне, % | 33-38 | 33-37 | 32-36 | 32-34 | 33-35 |
Сила муки, ед. а | 280 и более | ||||
Разжижение теста, ед. ф | Не более 60 | ||||
Оценка валориметра, % | 60 и выше | ||||
Объемный выход хлеба из 100 г муки (по методу пробной выпечки ЦЛГ, с применением метода remix), мл | |||||
Хлебопекарная оценка, балл | Не менее 4,5 |
5. Экономическая эффективность возделывания оптимального агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы
Создание и ускоренное внедрение в производство оптимального агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы в каждой природной зоне Оренбургского Приуралья обеспечит прибавку валового сбора зерна без дополнительных затрат, что гарантирует высокий экономический эффект.
Взяв среднюю за все годы исследования (включающие засухи различной интенсивности) прибавку при внедрении оптимального агроэкотипа яровой мягкой пшеницы 15%, что для южной лесостепи составляет 0,24, а для степной Казахстанской провинции 0,22 т зерна с 1 га, и, используя вероятность формирования классного зерна, получим дополнительную прибыль на один гектар. Стоимость зерна с 1 га рассчитана по ценам на продукцию сельского хозяйства, поставляемую в региональный фонд из урожая 2006 года.
Наиболее экономически выгодным является возделывание яровой мягкой пшеницы в степной зоне Оренбургского Зауралья, так как на Адамовском ГСУ классность зерна выше, чем на Аксаковском ГСУ, тем самым увеличивается цена ее реализации. При 19 годах сопряженной оценки один гектар мягкой пшеницы в степной зоне Оренбургского Зауралья в среднем дал прибыль на 285 рублей больше, чем один гектар мягкой пшеницы в лесостепной зоне.
Выводы
1. Модель зависимости урожайности зерна от факторов внешней среды для яровой мягкой пшеницы имеет на входе значительное количество переменных. При этом удается описать 70…80% разброса значений урожайности зерна. Можно констатировать, что всем подвергнувшимся исследованию природно-климатическим зонам Оренбургского Предуралья, присущи квадратические зависимости урожайности зерна от величины зимних осадков.
2. Более чем полувековая работа Государственной сортоиспытательной сети показала, что в условиях неустойчивого увлажнения степной зоны Оренбургского Приуралья наиболее приспособленными сортами яровой мягкой пшеницы здесь (судя по длительному сроку их использования в производстве) можно считать такие, как Московская 35 (южная лесостепь), Саратовская 42 (степная Заволжская провинция), Саратовская 29 (степная Казахстанская провинция). Резкие колебания погоды не позволяют статистически доказать достоверность прибавки урожайности большого количества новых сортов из-за короткого периода их испытания.
3. В Оренбургском Зауралье можно уверенно делать ставку на отбор новых перспективных форм, ориентируясь на индекс вегетативной массы. В Предуралье доля влияния этого фактора в превышение урожайности значительно меньше. Длина периода всходы - колошение не оказывает влияния на прибавку урожайности яровой мягкой пшеницы, а влияния периода колошение-созревание не установлено.
4. В условиях степи и южной лесостепи Оренбургского Приуралья наибольшую селекционную значимость среди показателей качества зерна яровой мягкой пшеницы имеет сила муки по альвеографу. Но информативность этого показателя недостаточно высока, чтобы обойтись без пробных выпечек хлеба.
В лесостепной зоне наиболее информативными из косвенных методов оценки качества заготовляемого зерна пшеницы мягкой являются оценка валориметра, упругость теста и водопоглотительная способность муки. В многолетнем ряду наблюдений они в 93,9% случаев определяют колебание величины объемного выхода хлеба. В степной Казахстанской провинции за 12 лет наблюдений ВПС муки и белковость зерна в сумме объясняют 53,6% случаев варьирования объемного выхода хлеба.
5. Для условий лесостепной зоны (Аксаковский ГСУ) выявлено влияние почти всех элементов продуктивности на величину объёмного выхода хлеба. Доля влияния каждого фактора характеризуется величинами 4,9…16,8% (при итоговой величине R2 = 0,944). В степной зоне Оренбургского Зауралья основной вклад (56%, при R2 = 0,866) в рассеяние величины объёмного выхода хлеба вносит количество продуктивных колосьев на единице площади.
6. В южной лесостепи Оренбургского Предуралья значительное влияние на разброс показателя белковости зерна оказывают дефицит влажности воздуха в июне (32,4%) и осадки осенне-зимнего периода (30,3%). В степной зоне Казахстанской провинции разброс величины данного показателя качества зерна обусловлен в основном варьированием погоды за вегетационный период. Технологические показатели качества зерна подвержены влиянию погодных факторов в течение всего сельскохозяйственного года. Природно-ресурсный потенциал изучаемого региона позволяет получать высококачественное зерно яровой мягкой пшеницы (с объемным выходом хлеба до 1450 мл).
7. Основными болезнями и вредителями в южной лесостепи Оренбургского Предуралья, из числа изученных нами, оказались мучнистая роса и шведская муха с экономическим порогом вредоносности 18…20% поражающего воздействия. В совокупности они детерминировали около 40% дисперсии урожайности зерна яровой мягкой пшеницы.
8. Количество факторов погоды, влияющих на развитие болезней и вредителей в изучаемой зоне, составляет 9…10 переменных, что присуще закономерностям живой природы. Развитие мучнистой росы на яровой мягкой пшенице лучше описывается осадками и дефицитом влажности воздуха 5-й декады, а развитие шведской мухи – в большей степени влиянием суммы выпавших осадков за 7 декад от начала всходов пшеницы.
9. На базе многолетних наблюдений рассчитаны индексы селектируемых признаков, использование которых в селекционной практике позволяет ускорить создание новых сортов яровой мягкой пшеницы с заданными параметрами, обеспечивающих прирост урожайности зерна на 10…15% в условиях засух различной интенсивности. Для создания оптимального агроэкотипа сорта на современном этапе предусматривается использование индексов селектируемых признаков всех элементов структуры урожайности.
10. Наиболее экономически выгодным является возделывание яровой мягкой пшеницы в степной зоне Оренбургского Зауралья. Один гектар мягкой пшеницы в степной зоне Оренбургского Зауралья в среднем дал за 19 лет прибыли на 285 рублей больше, чем один гектар мягкой пшеницы в лесостепной зоне (в ценах 2006 года).
Предложения производству и селекционной практике
1. В степной зоне Оренбургского Приуралья с резкими колебаниями погодных условий дополнительная прибыль обеспечивается возделыванием оптимального агроэкотипа (модели) сорта данной культуры. Поскольку для условий изучаемой территории длительный период (30…40 лет) отсутствуют более адаптированные сорта, чем ранее районированные, для практического воплощения модели в хозяйстве целесообразно иметь три сорта, каждый из которых в благоприятный для него год обеспечит прирост урожая зерна за счет преимущества своего индекса селектируемого признака.
2. В селекционном процессе яровой мягкой пшеницы в условиях Оренбургского Приуралья необходимо использовать селектируемые признаки всех элементов структуры урожайности зерна. Это позволит получать прибавку за счет преимущества всех индексов селектируемых признаков у одного сорта (что, как показал многолетний опыт селекции, весьма проблематично), или за счет выведения нескольких сортов с выдающимися отдельными индексами, лучше использующих в различные отрезки вегетационного периода ресурсы влаги и тепла.
3. Для хлебопекарной оценки заготовляемого зерна яровой мягкой пшеницы в лесостепной зоне Оренбургского Предуралья предлагается использовать разработанную нами регрессионную модель.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Тихонов, создания оптимального агроэкотипа сорта яровой мягкой пшеницы в степной зоне Южного Урала / , // Наука и хлеб: сб. науч. тр. – Оренбург, 2002. № 9. – С. 177-210.
2. Тихонов, критерий и адаптивный потенциал качества яровой мягкой пшеницы в степной зоне Урала / , // Наука и хлеб: сб. науч. тр. – Оренбург, 2002. № 9. – С. 210-237.
3. Зенкова, болезни и вредители яровой мягкой пшеницы в условиях Оренбургской области / // Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. – Оренбург, 2003. – С. 14-15.
4. Тихонов, и агроэкологические факторы развития болезней и вредителей яровой мягкой пшеницы в южной лесостепи Оренбургского Предуралья / , , // Вестник защиты растений. - Санкт – Петербург, 2003. - № 3. – С. 63-66.
5. Тихонов, яровой мягкой пшеницы к биотическим факторам поражения в южной лесостепи Предуральской провинции / , , // Наука и хлеб: сб. науч. тр. – Москва, 2003. № 10 . – С. 104-124.
6. Зенкова, погодно-климатических условий на качество зерна яровой мягкой пшеницы на Южном Урале / // Известия Оренбургского аграрного университета. – Оренбург, 2004. - № 4. – С. 31-33.
7. Тихонов, косвенных методов в хлебопекарной оценке зерна яровой мягкой пшеницы / , , // Зерновое хозяйство. – Москва, 2004.- № 5.- С. 20-24.
8. Тихонов, основы адаптивной селекции и формирование агроэкотипа сорта яровой пшеницы в Оренбургском Приуралье / , , // Современные технологии в сельском хозяйстве: материалы международной научно-практич. конференции. – Оренбург: «Пресса», 2007. – С. 27-42.
Подписано к печати 16.08.2007 г. Формат 60 x 84 1/16
Объем 1 усл. печ. л. Заказ № 37 Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии ГНУ «Оренбургский НИИСХ»
г. Оренбург, пр. Гагарина, 27/1.
