Продуктивность, качество зерна и экологическая устойчивость яровой мягкой пшеницы в Оренбургском Приуралье (стр. 1 )

Продуктивность, качество зерна и экологическая устойчивость яровой мягкой пшеницы в Оренбургском Приуралье

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.