Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности роста, развития и формирования урожайности топинамбура при изменении фотопериода, условий минерального питания и сортового разнообразия (обзор литературы) 10
1.1.Практическая значимость топинамбура 10
1.2.Морфологические и некоторые биологические особенности топинамбура 13
1.3. Роль выбора сорта в повышении продуктивности топинамбура 19
1.4.Фотопериодическая реакция топинамбура 24
1.5.Влияние удобрений и фона минерального питания на продуктивность топинамбура и качество урожая 24
1.6.Особенности выращивания топинамбура на техногенно загрязненных почвах 34
ГЛАВА 2. Место, условия и методика проведения исследований 38
2.1.Место и условия проведения исследований 38
2.2. Схема опыта и характеристика объектов исследований 38
2.3.Методика проведения наблюдений и определений 41
2.4.Агротехника топинамбура в опытных посадках 43
2.5.Агрометеорологические условия в годы исследований 43
2.6.Методика проведения исследований в вегетационном опыте 47
ГЛАВА 3. Реакция сортов топинамбура на изменение фотопериода и условий минерального питания 49
3.1.Особенности развития топинамбура и семенная продуктивность 49
3.2.Высота растений, число листьев и листообеспеченность стебля 58
3.3.Динамика влажности почвы и водопотребление растений 61
3.4.Особенности фотосинтетической деятельности растений в разных агроценозах топинамбура 65
3.4.1. Формирование площади листьев 65
3.4.2. Фотосинтетический потенциал агроценоза 69
3.4.3. Содержание фотосинтезирующих пигментов в листьях топинамбура 73
3.4.4. Баланс углерода в листьях топинамбура 77
3.4.5. Урожай абсолютно сухой фитомассы топинамбура 80
3.4.6. Чистая продуктивность фотосинтеза 84
3.4.7. Коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза 87
3.5.Накопление урожая клубней и коэффициент размножения 89
3.6.Урожайность и структура урожая сортов топинамбура 95
3.7.Качество и кормовая ценность урожая сортов топинамбура 100
3.8.Потребление элементов минерального питания растениями топинамбура 105
3.9.Хозяйственный баланс и коэффициенты использования NPK из почвы и удобрений 108
3.10.Корреляционная зависимость конечной продуктивности топинамбура от
показателей фотосинтетической деятельности растений в агроценозах 110
3.11. Экономическая эффективность производства топинамбура 113
ГЛАВА 4. Особенности формирования урожайности топинамбура на фоне эффективного плодородия с загрязнением дерново – среднеподзолистой почвы экотоксикантами 116
4.1.Особенности роста и развития растений топинамбура 116
4.2.Урожайность и структура урожая топинамбура 118
4.3. Влияние экотоксикантов на агрохимические показатели почвы 121
4.4.Изменение химического состава растений и качества урожая на загрязненных почвах 122
Заключение по главе 4 124
Заключение 126
Предложения производству 129
Список литературы
- Роль выбора сорта в повышении продуктивности топинамбура
- Схема опыта и характеристика объектов исследований
- Формирование площади листьев
- Влияние экотоксикантов на агрохимические показатели почвы
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Улучшение продовольственной безопасности и снижение степени загрязнения окружающей среды по-прежнему, остаются важнейшими проблемами многих регионов России (Доктрина продовольственной безопасности…, 2010; Государственный доклад…, 2015). В их решении существенный вклад может внести топинамбур (земляная груша) как высокопродуктивная экологически пластичная культура многостороннего использования с ценным химическим составом надземных и подземных органов. Она служит сырьем для получения диетических продуктов питания, а также инулина и других биологически активных веществ, высококачественных кормов для животных, биотоплива (В.Н.Зеленков, Н. Г. Романова, 2012; Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева, 2012; В.И. Старовойтов, О.А. Старовойтова, П.С. Звягинцев и др., 2015; З.И.Усанова, Ю.В.Байбакова, 2009; J. K. Stanley, F. N. Stephen, 2007). Одновременно топинамбур считается отличным рекультиватором выведенных из сельскохозяйственного оборота земель при добыче угля, нефти, бывших карьеров, полигонов и свалок, характеризуется устойчивостью к экотоксикантам и способностью сохранения окружающей среды от загрязнения тяжелыми металлами и другими поллютантами, является действенным биологическим защитником (В.Н.Зеленков, Н. Г. Романова, 2012; В.И. Старовойтов, О.А. Старовойтова, П.С. Звягинцев и др., 2013).
Однако в настоящее время использование топинамбура ограничено. В России площади под культурой составляют по разным данным от 1 тыс. (В.Н.Зеленков, Н. Г. Романова, 2012) до 3 тыс. га (А.В. Цимбалист, О.Ю. Патласов, 2015). Это объясняется многими причинами, в том числе недостаточной технологичностью сортов, неотработанностью технологий получения высококачественной продукции для промышленного производства (В.Н.Зеленков, Н. Г. Романова, 2012; А.В. Цимбалист, О.Ю. Патласов, 2015).
В повышении клубневой продуктивности и качества урожая большая роль принадлежит сорту и удобрению, которые должны соответствовать природно – климатическим условиям конкретного региона. Для средней полосы России лучшим по клубневой продуктивности, технологичности является раннеспелый сорт Скороспелка, который, больше, чем другие сорта, используется для производства лечебно – профилактических препаратов, диетических продуктов питания (Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева, 2002; З.И. Усанова, 2001). Для южных регионов более приемлемы сорта, созданные Н.М.Пасько, в том числе Интерес (Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева, 2002).
Для повышения клубневой продуктивности, технологичности, качества
продукции требуется создание новых сортов, в большей степени
удовлетворяющих требованиям промышленной переработки. В селекции
топинамбура с использованием более позднеспелых родительских форм
используется искусственное сокращение светового дня, ускоряющее развитие
растений, способствующее инициации цветения (С.С. Давыдович, 1957). Это
доказано З.И.Усановой (1964), Г.В.Устименко-Бакумовским (1972).
Фотопериодизм используется при этом как один из важнейших факторов
регуляции роста и развития (И.Ф. Головацкая, Р.А. Карначук, 2015; И.Г. Тараканов, 2014).
Степень разработанности темы. Влияние удобрений, их доз и соотношений элементов минерального питания на формирование наиболее продуктивных агроценозов разных сортов топинамбура является достаточно изученным применительно к отдельным регионам страны (Е.С. Гасанова, А.С. Сорокин, В.В. Котов, 2011; К.П. Данилов, Л.Г. Шашкаров, 2013; Ю.С. Королева, 2009; З.И.Усанова, Ю.В. Байбакова, 2009 и др.). Однако их действие недостаточно исследовано на разных по скороспелости сортах при разных режимах фотопериода. Нет сведений о реакции сорта Интерес на сроки и продолжительность затенения. Не изученной является реакция топинамбура на источники техногенного загрязнения почв, включая кислотные осадки, тяжелые металлы, минеральные удобрения. В условиях Верхневолжья подобных исследований не проводилось. Все это явилось основанием для проведения наших исследований.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – разработать способы ускорения развития растений, повышения семенной и общей продуктивности топинамбура путем подбора сортов, оптимизации режимов фотопериода, минерального питания.
Задачи исследований:
-
Изучить особенности роста и развития, а также семенную продуктивность топинамбура в зависимости от фона минерального питания, сроков и продолжительности затенения.
-
Исследовать фотосинтетическую деятельность растений в разных агроценозах (формирование листовой поверхности, фотосинтетического потенциала агроценоза, накопление урожая сухой фитомассы, изменение интенсивности, чистой продуктивности, коэффициента хозяйственной эффективности фотосинтеза и содержания фотосинтезирующих пигментов в листьях).
-
Определить структуру урожая, урожайность и качество урожая топинамбура в зависимости от изучаемых факторов.
-
Определить влияние расчетных доз удобрений на содержание, вынос и коэффициенты использования NPK растениями сортов Скороспелка и Интерес.
-
Определить корреляционную зависимость урожая от качественных показателей фотосинтеза.
-
Рассчитать экономическую эффективность производства продукции топинамбура в разных вариантах опыта.
-
Изучить особенности роста, развития, формирования урожайности топинамбура, изменение качества продукции и агрохимических показателей почвы при загрязнении ее экотоксикантами.
Научная новизна. Впервые в условиях Верхневолжья (Тверь) изучены особенности роста, развития и хода продукционного процесса сортов топинамбура (раннеспелого Скороспелка и позднеспелого Интерес) на двух фонах минерального питания при разных режимах фотопериода; выявлены оптимальные варианты, обеспечивающие наибольшее ускорение развития и
получение полноценных семян, а также повышение клубневой продуктивности за счет программирования на 44,8 % (сорт Скороспелка) и 34,4 % (сорт Интерес); общего сбора сырой биомассы соответственно на 45,3 и 46,1 %; установлена возможность возделывания топинамбура (сорт Скороспелка) на дерново – подзолистой почве со степенью загрязнения различными экотоксикантами до 1 - 3 ПДК с получением продукции по объему и качеству не ниже, чем на незагрязненной почве.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Дано теоретическое обоснование роста, развития и формирования урожайности разных по скороспелости сортов топинамбура при изменении режима фотопериода и фона минерального питания.
Практическая значимость заключается в рекомендациях производству: 1 -способа получения полноценных семян топинамбура раннеспелого сорта Скороспелка и позднеспелого - Интерес в условиях северной части Центрального Нечерноземья; 2 - выращивания сортов разного назначения: Скороспелка - для получения наибольшего урожая клубней (не менее 40 т/га) на продовольственные, технические и лечебно – профилактические цели, Интерес – для производства сырой биомассы (до 80 т/га) высокого качества на кормовые цели и комбинированного использования; 3 – показателей выноса питательных веществ на единицу продукции сортами Скороспелка и Интерес.
Методология и методы исследований. Методология исследований заключается в проведении полевого и вегетационного опытов и лабораторных исследований по традиционным методикам, применяемым в растениеводстве, земледелии, агрохимии. В исследованиях по фотопериодизму использована методика, применяемая в условиях Северного Кавказа при выведении сортов (С.С.Давыдович, 1957), а также в условиях Центрального Нечерноземья при получении семян и селекции топинамбура (Г.В. Устименко, З.И. Усанова, 1961). Для математической обработки экспериментальных данных использована методика дисперсионного и корреляционного анализов (Б.А.Доспехов, 1985).
Основные положения, выносимые на защиту:
- ускорение развития, улучшение хода продукционного процесса,
повышение семенной и общей продуктивности топинамбура сортов
Скороспелка и Интерес при искусственном сокращении длины светового дня;
- особенности водопотребления, фотосинтетической деятельности,
формирования урожайности, минерального питания раннеспелого и
позднеспелого сортов на неудобренном фоне и при внесении расчетных доз NPK;
- повышение общей продуктивности и качества урожая, выхода инулина с
гектара, коэффициента размножения, экономической эффективности при
программировании урожайности разных по скороспелости сортов топинамбура.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена использованием проверенных методик, а также статистической обработкой экспериментальных данных.
Материалы диссертации доложены на трех Международных научно-практических конференциях, проходивших в Тверской ГСХА в 2015 и 2016 г., получен Диплом участника; на Всероссийских научно-технических конференциях:
проходивших в рамках ХХI, XXII, XXIII и XXIV Каргинских чтений. «Физика, химия, новые технологии», Тверь, ТвГУ в 2014, 2015, 2016 и 2017 гг., получено 2 диплома II степени и 1 - I степени; на Итоговой научно – технической конференции по программе «УМНИК» «Молодежь и инновации Тверской области», 2015 г., получен грант победителя; на конкурсе «ЭкоНива-Студент 2014», получена грамота за II место и стипендия, 2015 г.; на конференциях II и III этапов Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации «Сельскохозяйственные науки», г. Курск, 2015 и 2016 г., г. Самара, 2016 г., получен Диплом победителя, Диплом участника и Грамота за участие; на выставке «Изобретатель и рационализатор», г. Тверь, 2016 г., получен Диплом победителя (1 место).
Результаты работы внедрены в производство: 1. ООО «Редкинская АПК» Конаковского района Тверской области на площади 10 га с экономическим эффектом 193,5 тыс.руб., 2. ООО «Топидар», респ. Адыгея на площади 10 га с экономическим эффектом 105,0 тыс.руб.; а также в учебный процесс Технологического факультета Тверской ГСХА.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 24 печатные работы, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК РФ. Получено 2 патента РФ на изобретение: № 2590805, приоритет от 28 апреля 2015 г., и № 2619306, приоритет от 10 марта 2016 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 189
Роль выбора сорта в повышении продуктивности топинамбура
Плод – семянка, у позднеспелых сортов вызревает в южных районах (Средней Азии, Крыму, Кавказе), скороспелых – в районах Центрально -Черноземной зоны [155]. Масса 1000 семянок составляет 7-9 г. Окраска серовато-коричневая с темными крапинками [115, 155, 157, 215]. По данным Е.Л.Рохловой и Г.С.Антипиной [118] всхожесть семян диких форм топинамбура в Карелии -17,9 %. Ценной биологической особенностью топинамбура является способность формировать мощную корневую систему мочковатого (при клубневом размножении) и стержневого (при семенном) типа с глубиной проникновения корней до 3 м (основная их масса размещается в пахотном слое до 30 см). По общему объему корневая система в 1,5 – 3,5 раза, а по рабочей поверхности – в 6,5 – 8,5 раз больше, чем у картофеля [143, 145, 155, 157, 194].
У топинамбура различают следующие типы ветвления надземной части побега: акропетальное (из пазух нижних супротивных листьев) и базипетальное (из пазух очередных листьев). В подземной части побега образуются столоны. Их окраска совпадает с окраской клубней. При выходе на поверхность почвы они зеленеют и превращаются в надземные побеги [164]. Количество столонов на одном растении 20 – 40. Их длина зависит от механического состава почвы: на тяжелых - 1-6 см, на легких супесчаных - 13-18 см [77,99,144,157,194,215].
Окраска и форма клубней очень важный сортовой и хозяйственный признак, зависит от условий выращивания [144,155,164,194]. Различают: округлые, грушевидные, булавовидные, удлиненные, цилиндрические клубни. На тяжелых глинистых почвах они деформируются. Окраска варьирует от белой до красно-фиолетовой. Масса одного клубня - от 10 до 110 г, чаще всего 30 – 50 г [9,77,94,116,143,155,194,215]. По данным З.И. Усановой и Ю.В.Байбаковой [155, с.8], при выращивании на увлажненных участках Центрального региона она может достигать 400 и более г. Число клубней на одном растении колеблется от 4 до 40. Оно зависит от сорта, условий выращивания, величины посадочного материала и т.п. У селекционных сортов на одном растении может формироваться до 20-30, а у полудиких форм – до 70 - 75 клубней [109,155,144,164,194,215]. Форма клубней и длина столонов имеют большое значение для механизированной уборки и промышленной переработки.
В развитии топинамбура обычно отмечают фазы: всходов, образования столонов, образования клубней, бутонизации, цветения, отцветания и созревания [61,145,155]. Сроки прохождения фаз развития топинамбура зависят от зоны возделывания, хода среднесуточных температур, увлажнения почвы и светового режима. Технология возделывания, фон минерального питания и густота стояния существенно не влияют на развитие топинамбура [83,155].
В условиях Верхневолжья по данным ряда авторов [91,156,157,194], всходы у топинамбура появляются на 12-45-й день от посадки в зависимости от сорта, сроков уборки, хранения клубней, глубины заделки, способа и срока посадки, а также погодных условий.
Клубни начинают прорастать при температуре почвы +4 - +6 С. При этом прорастание идет медленно, всходы появляются только на 33-й – 45-й день после посадки. При температуре +8 - +12 С всходы появляются на 12-й – 18-й день от посадки [91,144,150]. В исследованиях З.И.Усановой, Ю.В.Байбаковой [155] самые ранние всходы (через 17 дней после посадки) появились при среднесуточной температуре воздуха 13 0С, которая была на 2,3 – 5,9 0С выше, чем в другие годы исследований. Снижение температуры при избыточном увлажнении повышает этот период до 26 дней.
По данным З.И. Усановой, А.К. Осербаева [152] столоны появляются на 20-45-й день от всходов. Наиболее благоприятной является температура воздуха +17 С при достаточной влагообеспеченности.
В источниках литературы приводятся разные данные по срокам начала формирования клубней. Это связано с тем, что объектами исследований были разные сорта топинамбура, условия (зона) возделывания, взяты неодинаковые признаки клубнеобразования. У раннеспелого сорта Скороспелка в условиях Верхневолжья (Тверь) образование клубней наступает в разные годы на 36 – 62-й день от всходов, что, как правило, совпадает с завязыванием бутонов. Максимально длинным этот период был при среднесуточной температуре воздуха +23 С и избыточном увлажнении, а максимально коротким – при температуре 17,3 С и нормальном увлажнении почвы [3,61,83,91,130]. С.С. Шаин [186] справедливо считает, что образование клубней наступает после 22 июня при сокращении светового дня. По данным М.Н. Филиппова [169] рост клубней в Ленинградской области начинается в июле, И.В. Лебедева и Г.В.Петренко [72] – 1 – 15 августа спустя 70 дней после появления всходов. Началом клубнеобразования считается видимое утолщение столонов [124,144,157]. С.С. Шаин [186] начало этого процесса связывал с образованием верхушечной почки на конце столона.
На образование и рост клубней оказывают влияние площадь питания растений и обеспеченность их минеральными элементами [77,144,157,186,194]. Г. П. Федосеева, П. Ю. Воронин, Р. И. Багаутдинова [167] выявили лимитирование фотосинтетического газообмена листьев поступлением воды из корневой системы и прямую корреляционную связь (R2 = 0,88) между массой корней и урожаем клубней. По данным К.П. Партоева, Н.Х. Сайдалиева, Ш.М. Ясинова, С. Садриддинова [93] у сортов топинамбура Интерес и Сарват наблюдается обратная слабая корреляционная связь между количеством и массой клубней (r = -0,130– 0,224); слабая прямая корреляционная связь - между массой одного клубня и продуктивностью растений топинамбура (r = 0,221–0,272); средняя (r = 0,522 по сорту Интерес) и сильная (r = 0,969 по сорту Сарват) – между количеством клубней и их массой на 1 растение.
У раннеспелого сорта Скороспелка в условиях Верхневолжья (Тверь) период от посадки до цветения колеблется от 87 до 121 дней [91,145155]. Цветение раннеспелых форм в Центральном регионе России обычно наблюдается в августе-сентябре [145,155]. Kays S.J., Kultur F. [204] выявили, что у 190 сортов в условиях штата Джорджия (США) период от посадки до начала цветения варьирует от 69 до 200 дней.
Схема опыта и характеристика объектов исследований
Способ затенения: связывание 5-7 верхних листьев вокруг точки роста (рисунок 2). Продолжительность затенения с 17 до 7 часов [143]. Объекты исследования – сорта топинамбура Скороспелка и Интерес. Рисунок 2 - Растение топинамбура со связанными верхними листьями Сорт «Скороспелка». Создан Московской сельскохозяйственной академией им. К.А. Тимирязева и Тульской государственной сельскохозяйственной опытной станцией, ныне Тульский НИИСХ. Авторы сорта Устименко - Бакумовский Григорий Васильевич и Усанова Зоя Ивановна [46,155]. Раннеспелый, обладает высокой урожайностью клубней (до 80 – 120 т/га), благодаря чему является основным возделываемым сортом во многих регионах России, в частности – в Тульской, Московской и Тверской областях. Превосходит другие сорта земляной груши (топинамбура) по клубневой продуктивности, технологичности и ряду других ценных биологических свойств [46,64]. Выведен из смеси форм иностранного происхождения методом отбора на скороспелость, форму, размер и зимостойкость клубней [155].
Имеет компактное гнездо. Клубень округлой формы со слабо выдающейся верхушечной почкой, с гладкой поверхностью. Глазков на клубне 6-8; глазки слабобугристые. Столоны и клубни белые. Куст прямостоячий. Стебель сильноветвистый (до 30 и более ветвей на одном стебле), хорошо облиственный, на главном стебле образуется до 50 листьев. Высота растения достигает 180 см, а в среднем 130-150 см. Столоны короткие ко времени уборки легко ломаются и клубни свободно отделяются. Относится к крупноклубневым сортам, масса одного клубня достигает 50 и более г. Лист среднего размера с острой вершиной, цельный, по краям слабо зазубрен, темно-зеленый, со слабым опушением, жилкование листа мутовчатое, в средней и верхней части – очередное. Соцветие – корзинка диаметром 3-5 см. Плод – семянка с массой 1000 штук 5-8 г. В условиях Центрально-Нечерноземной зоны растения сорта начинают цвести через 70-85 дней после появления всходов. Ценность сорта в высокой урожайности клубней, скороспелости, расположении клубней в центре гнезда, что облегчает их выборку из почвы [64,145,155].
Сорт обладает высокой экологической пластичностью. Авторами сорта зафиксирована высокая урожайность клубней в Тульской, Московской, Тверской областях, достигающая 8,0-12,0 т с гектара. Средняя урожайность сорта – 35,0-40,0 т/га надземной листостебельной массы и 35,0 - 60,0 т/га клубней. Является основным сортом, который используется для промышленной переработки в России. Из него получают муку, пищевые добавки и лекарственные препараты такие, как «долголет», «топинарис», хорошо зарекомендовавшие себя как общеукрепляющее средство, богатое витаминами и микроэлементами [46,64].
Сорт «Интерес». Выведен в 1967 г. на Майкопской опытной станции ВИР, методом межсортового скрещивания сортов Майкопский 33-650 и Находка. Автор сорта Пасько Николай Матвеевич.
Позднеспелый. Стебель прямой, средневетвистый, высотой до 4м, хорошо облиственный. Побеги в молодом возрасте жесткоопушенные, волоски позже отмирают. Листья крупные, удлиненно яйцевидные, остроконечные, зубчатые по краям, с нижней стороны опушенные, длинночерешковые, темно – зеленой окраски. Корневая система мощная, сильноразветвленная. Главный стержневой корень глубоко, более 2м, проникает в почву, в 2-3 раза глубже картофеля. Цветки мелкие, ярко-желтые, крайние язычковые, внутренние трубчатые, образуют соцветие корзинку диаметром 3-4 см. С обратной стороны узкие листочки образуют обвертку. Плод – конусовидная угловатая семянка – состоит из кожистого околоплодника и маслянистого семени. Масса 1000 семян 7-9 г. Опыление перекрестное. Клубни белые, короткие, грушевидной формы, с погруженными глазкам (почками). Отличаются от клубней других сортов наличием выступающей бровки. «Деток» у клубней нет. Требователен к влаге, но переносит временную засуху. Холодо- и жаростоек.
Сорт обладает повышенной урожайностью и крупностью клубней в южных регионах: более 40,0 т/га клубней и более 25,0 т/га зеленой массы. Средняя масса клубней - 55 - 75 г. Продуктивность в Сибири: от 5,0 до 30,0 т/га клубней и от 30,0 до 100,0 т/га зеленой массы. Сахаристость клубней - около 19 % [46].
Исследования выполнили по современным методикам в растениеводстве, земледелии и агрохимии. В опыте проводили следующие определения и наблюдения:
Агрохимические показатели почвы: щелочногидролизуемый азот - по Корнфилду; подвижный фосфор и обменный калий по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011); рН солевой вытяжки -потенциометрически (ГОСТ 26483-85); массовая доля органического вещества по методу И. В. Тюрина (вариант ЦИНАО) (ГОСТ 26213-91).
Фенологические по методике З.И.Усановой [148] - отмечали даты наступления фаз развития: всходы, бутонизация, цветение, отцветание соцветий. Фиксировали: начало, когда 10% растений вступило в данную фазу, и полная фаза -после вступления в нее 70% растений.
Семенная продуктивность: определяли количество семян с 1 растения по вариантам опыта.
Высота растений, число листьев перед уборкой. По 3 растения с варианта первого повторения.
Показатели фотосинтетической деятельности растений в сроки: на 15-20 день от всходов (образование столонов), фаза "бутон на ножке", перед уборкой (отцветание главного соцветия). Выкапывали по три растения с варианта. Определяли: площадь листьев агроценоза в тыс. м2 /га, ФПП (фотосинтетический потенциал агроценоза (посева) в тыс.м2 сутки/га, сырую массу ботвы и клубней, число клубней, содержание сухого вещества в ботве (листья и стеблях) и клубнях. ЧПФ (чистая продуктивность фотосинтеза), Кхоз (коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза) - по методике И.С. Шатилова, М.К. Каюмова 1978 [190], З.И.Усановой [148]. Содержание фотосинтезирующих пигментов (спектрофотометрическим методом на спектрофотометре СФ-56 [141]) и интенсивность фотосинтеза - методом мокрого сжигания в хромовой смеси [166].
Формирование площади листьев
Перед уборкой (25 сентября) влажность верхнего слоя повысилась, причем в большей мере в варианте без удобрения, что свидетельствует о меньшем потреблении воды растениями на создание меньшего урожая по сравнению с удобренными посадками.
Второй и третий годы исследований отличались лучшей обеспеченностью растений влагой, хотя влажность почвы не достигала оптимального значения. В 2015 г. более сухой почва была во второй половине лета (12 августа), когда ее влажность составила 25,0 – 40,2 % от ППВ.
В 2016 г. на протяжении всего периода вегетации влажность почвы была выше, чем в 2014 и 2015 гг. Наиболее благоприятными условиями увлажнения отличался сентябрь, когда влажность соответствовала оптимальным значениям. Это способствовало продолжению вегетативного роста растений и позволило накопить более высокий урожай зеленой (надземной) массы. По сумме урожаев (ботва + клубни) на удобренном фоне 2016 г. превосходил 2015 г. на 5,9 т/га (Скороспелка) – 7,2 т/га (Интерес), а 2014 – соответственно на 11,9 и 16,7 т/га.
Весенний запас влаги во все годы соответствовал оптимальному уровню, почва, при достижении физической спелости, была полностью насыщена влагой. В течение вегетации (1.05 – 31.09) в 2014 г. выпало осадков меньше (247 мм), чем в другие годы, поэтому суммарное водопотребление было меньше на 102,3 – 118,2 мм. Коэффициенты водопотребления как биологические (Кв биол.), так и товарные (Кв тов.) зависят от урожайности топинамбура и суммарного водопотребления (таблица 12).
Наименьшее количество воды на создание 1 ц сухой фитомассы с гектара израсходовали сорта топинамбура в засушливом 2014 г. Во все годы самым низким Кв биол. отличался сорт Интерес, у которого в среднем за 3 года он был лучше, чем у сорта Скороспелка, на неудобренном фоне на 55 мм, на удобренном – на 38 мм, в связи с более высоким урожаем сухой фитомассы.
Улучшение минерального питания снижает биологические коэффициенты водопотребления, в среднем за 3 года, у сорта Скороспелка на 135 мм (30,5 %), у сорта Интерес на 118 мм (30,4 %), что также объясняется более высоким сбором сухой фитомассы с гектара посадок.
Товарный коэффициент водопотребления в большей мере зависел от взаимодействия факторов, чем биологический. Так, на неудобренном фоне наибольшим он был у сорта Скороспелка в 2015 г. (210 мм), на удобренном в 2014 г., а у сорта Интерес – в 2015 и 2016 гг., когда Кв тов. были близки между собой вследствие невысокой разницы в урожайности клубней и в суммарном водопотреблении. Сорт Скороспелка на 1 ц урожая клубней расходует влаги в 1,7 – 1,9 раза меньше, чем сорт Интерес в связи с накоплением более высокого урожая клубней, превышающего урожай сорта Интерес в 1,5 (1 фон) – 1,8 (2 фон) раза.
Сорта по-разному реагируют на резкий дефицит влаги в течение вегетации (2014 г.) (таблица 13). Сорт Скороспелка снижает урожай клубней в сравнении с 2016 г. на неудобренном фоне на 2,5 т/га (7,4 %), на удобренном – на 10,8 т/га (22,4 %), а сорт Интерес увеличивает его соответственно по фонам на 7,45 т/га (48,5 %) и 10,65 т/га (53,1 %). Таблица 13 – Урожайность сортов топинамбура в разные годы, т/га (контрольные варианты, без затенения) Сорт Фон Абсолютно сухая фитомасса Клубни 2014 2015 2016 2014 2015 2016 Скороспелка Без удобрения 13,49 10,12 12,62 31,25 29,00 33,75 Расчетная доза NPK 15,30 16,20 19,69 37,35 49,10 48,15 Интерес Без удобрения 15,97 12,70 12,24 22,80 16,65 15,95 Расчетная доза NPK 17,70 18,24 22,68 30,70 23,15 20,05 Таким образом, обеспеченность растений топинамбура влагой в годы исследований была различной, что оказало существенное влияние на расход воды на единицу урожая сухой фитомассы и клубней.
Наименьшее количество воды на 1 ц сухой фитомассы расходует сорт Интерес (264 мм/га) в засушливые годы (2014) на удобренном фоне, а на 1 ц клубней – сорт Скороспелка (105,8 мм/га) в годы с близкой к оптимальной влагообеспеченностью (2016) на фоне с внесением расчетных доз NPK.
Улучшение минерального питания снижает расход воды на 1 ц сухой фитомассы у сорта Скороспелка на 30,5 %, у сорта Интерес на 30,4 %, а на 1 ц клубней соответственно на 31,2 и 25,7 %
Более засухоустойчивым является позднеспелый сорт Интерес, который при резком дефиците влаги вовремя летне – осенней вегетации (2014 г.) повышает урожай клубней в сравнении с благоприятным годом (2016) на неудобренном фоне на 48,5, на удобренном – на 53,1 %.
Одним из главных условий высокой фотосинтетической деятельности растений в посевах полевых культур является создание оптимальной площади листьев в агроценозах, которая, согласно исследованиям многих авторов, должна достигать размеров 40 – 50 тыс.м2/га, листовой индекс – 4 – 5 м2/м2 [85, 87, 155, 154, 188].
Результаты исследований показали, что площадь листьев агроценоза топинамбура в период максимума (бутонизация - цветение) зависела как от агрометеорологических, так и агротехнических факторов (таблица 14 и 15). Улучшение влагообеспеченности растений в 2016 г. увеличило площадь листьев. Так, максимальная площадь листьев по сравнению с 2014 и 2015 гг. возросла у сорта Скороспелка на 1 фоне в 1,7 и 2,3 раза, на 2 фоне в 1,1 и 1,2 раза, а у сорта Интерес на удобренном фоне – в 1,4 – 1,6 раза. На неудобренном наибольших размеров она достигла в самом засушливом году (2014).
Оптимизация минерального питания растений на удобренном фоне способствовала увеличению площади листьев сортов – Скороспелка в 1,8, Интерес - в 1,6 раза.
Сорта неодинаково реагируют на разные режимы фотопериода на неудобренном и удобренном фонах. На неудобренном фоне раннеспелый сорт увеличивает среднюю площадь листьев без увеличения максимальной при затенении на 20-й день после всходов в течение 20 дней: на 4,8 тыс.м2/га (40,2 %) (таблица 16). На удобренном фоне площадь листьев этого сорта в большей степени увеличивается при затенении на 10-й день в течение 10-и дней: максимальная на 15,4 тыс.м2/га (31,4 %); средняя – на 11,0 тыс.м2/га (47,8 %). Средняя площадь листьев в вариантах с 40-дневным сокращением длины дня представлена в таблице 17.
Влияние экотоксикантов на агрохимические показатели почвы
Увеличение числа клубней при затенении может быть связано с более ранним началом их образования, увеличением продолжительности роста и ветвления столонов [143]. Таким образом, в первый срок определения ("бутон на ножке" сорта Скороспелка) позднеспелый сорт (Интерес) превосходит раннеспелый (Скороспелка) по клубневой продуктивности, массе и выходу клубней, а во второй срок (перед уборкой), наоборот, уступает ему. Удобрение увеличивает массу и крупность клубней у сорта Скороспелка к концу вегетации, но существенно не повышает коэффициент размножения. У сорта Интерес все эти показатели возрастают от удобрения в оба срока определения. Сокращение длины дня повышает клубневую продуктивность у сорта Скороспелка на неудобренном фоне при 30-дневном затенении на 20-й день, на удобренном - на 10-й день после всходов, а у сорта Интерес - на неудобренном фоне при 30-дневном затенении на 20-й день после всходов, на удобренном - при 20-и дневном затенении на 10-й день и 10-дневном на 20-й день после всходов.
Наибольшим коэффициентом размножения (32) при вегетативном возобновлении посадок отличается сорт Интерес за счет формирования большего количества, но мелких клубней (19 – 26 г). У сорта Скороспелка коэффициент размножения меньше (25), чем у сорта Интерес за счет увеличения крупности клубней (45 – 59 г).
Конечная продуктивность агроценозов топинамбура оценивается по сбору с гектара зеленой массы (ботвы) и клубней. Оба этих показателя представляют производственную ценность, так как имеют хозяйственное применение [146]. У сортов с разной скороспелостью соотношение этих видов урожая отличается и зависит от региона возделывания [134,136]. В связи с этим, в условиях конкретного региона важно определить влияние удобрений, фотопериодизма и погодных факторов на продуктивность разных по скороспелости сортов топинамбура как по сбору общей биомассы с гектара, так и отдельно по урожаю ботвы и клубней.
Результаты исследований показали, что в условиях Верхневолжья урожайность и структура урожая топинамбура по всем показателям в большей степени зависят от сорта и фона минерального питания, в меньшей - от фотопериодизма и погодных условий (таблица 34 - 36).
Улучшение минерального питания растений при внесении расчетных доз NPK повышает продуктивность топинамбура (рисунок 11).
Так, сорт Скороспелка увеличил урожайность от удобрений: ботвы на 9,6 т/га (46,6 %), клубней 13,9 т/га (44,8 %), сорт Интерес: ботвы на 18,5 т/га (52,1 %) и клубней 6,3 т/га (34,4 %). Сорт Скороспелка от удобрений в большей мере увеличивает урожай клубней, Интерес – урожай ботвы.
По сумме урожаев (ботва + клубни) сорта были практически равны, на удобренном фоне более продуктивным был сорт Интерес, у которого при этом накоплено 78,6 т/га биомассы, против 75,0 т/га у сорта Скороспелка за счет более высокого урожая ботвы. По урожаю клубней сорт Скороспелка превысил сорт Интерес на неудобренном фоне на 12,7 т/га (на 69,4 %), на удобренном – на 20,0 т/га (81,3 %). На повышенном фоне минерального питания позднеспелый сорт усиливает рост надземной части в ущерб накоплению урожая клубней. Прирост урожая ботвы от удобрений у раннеспелого сорта составляет 9,5 т/га (46,1 %), а у позднеспелого 18,5 т/га (52,1 %).
Соотношение клубни:ботва в вариантах без затенения было у сорта Скороспелка на неудобренном фоне 1:0,66, на удобренном 1:0,67, у сорта Интерес соответственно 1:1,94 и 1:2,20.
Влияние режима затенения на урожайность топинамбура было неоднозначно у разных по скороспелости сортов (таблица 34 - 36).
Раннеспелый сорт Скороспелка слабо реагирует на затенение, в основном снижает продукционный процесс в вариантах с изменением фотопериода. Наблюдается снижение урожая зеленой массы на 12,3 и 19,9 % в вариантах с затенением на 10Д10Д и на 20Д20Д на неудобренном фоне и 11,8 % на удобренном при затенении на 20Д 30Д. Достоверные прибавки урожая клубней у данного сорта получены на неудобном фоне при 20-и дневном затенении (2,6 т/га - 8,5 %), а на удобренном - при 30-и дневном затенении на 10-й день после всходов (2,5 т/га, 5,6 %). Рост урожайности объясняется в первом случае повышением ЧПФ, во втором – мощности ФПП.
Урожайность зеленой массы топинамбура, т/га Вариант затенения Без удобрения Расчетная доза NPK срок продолжительность 2014 2015 2016 среднее % 2014 2015 2016 среднее % Сорт Скороспелка На 10-йденьпослевсходов Контроль 22,2 17,9 22,7 20,9 100,0 24,3 27,6 38,8 30,3 100,0 дней 20,0 14,3 21,7 18,6 89,1 22,9 25,7 41,2 29,9 98,9 дней 19,3 14,6 23,6 19,2 91,6 27,5 26,3 33,7 29,2 96,5 дней 19,1 18,2 23,6 20,3 97,0 20,4 28,0 39,1 29,2 96,5 дней 16,4 22,0 19,2 91,6 27,4 34,5 30,9 102,3 На 20-йденьпослевсходов Контроль 20,2 15,7 24,7 20,2 100,0 23,8 27,0 39,1 30,0 100,0 дней 17,1 15,2 18,2 16,8 83,4 16,4 29,7 37,9 28,0 93,5 дней 17,4 17,3 20,4 18,4 90,9 26,5 26,8 38,3 30,5 101,9 дней 19,5 14,7 22,6 18,9 93,7 19,5 27,0 34,1 26,8 89,5 дней 16,4 17,8 17,1 84,9 25,8 30,0 27,9 93,0 Ср. по сорту 19,4 16,0 22,2 19,2 22,7 27,3 37,8 29,2 Сорт Интерес На 10-йденьпослевсходов Контроль 34,0 33,1 38,0 35,0 100,0 41,0 50,1 73,2 54,8 100,0 дней 32,3 33,3 28,4 31,3 89,4 34,2 49,4 57,7 47,1 86,0 дней 42,0 33,3 32,7 36,0 102,8 51,0 58,2 80,3 63,2 115,3 дней 42,2 38,1 34,9 38,4 109,6 48,5 48,1 62,7 53,1 96,9 дней 38,5 34,6 36,6 104,4 56,5 77,3 66,9 122,1
На 20-йденьпослевсходов Контроль 38,0 31,5 38,5 36,0 100,0 43,3 44,8 71,4 53,2 100,0 дней 35,4 33,3 36,7 35,1 97,5 42,3 54,6 72,3 56,4 106,0 дней 40,2 34,9 35,5 36,9 102,3 41,0 55,0 58,7 51,5 96,9 дней 38,9 35,1 36,7 36,9 102,4 44,9 44,6 56,3 48,6 91,4 дней 41,4 39,3 40,4 112,0 51,7 51,2 51,4 96,7
Ср. по сорту 37,9 34,1 35,2 35,7 43,3 50,6 66,6 53,5 Ср. по фону 28,6 25,0 28,7 27,4 33,0 38,9 52,2 41,4 НСР05 по фону 1,0 4,2 1,5 1,0 4,2 1,5 НСР05 по сорту 0,7 2,3 0,8 0,7 2,3 0,8 НСР05 по сроку 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 НСР05 по продолжительности 0,9 0,7 0,6 0,9 0,7 0,6 Сорт Интерес сильнее реагирует на сокращения дня. В среднем за 3 года, он обеспечивает прибавки в урожае зеленой массы на неудобренном фоне при 30-дневном затенении на 10-й день после всходов (3,4 т/га – 8,7 %), а на удобренном – при 20-и дневном затенении того же срока (8,4 т/га – 13,3 %) и 10-и дневном второго срока (3,2 т/га – 5,7 %). Сорт обеспечил большие, чем Скороспелка, прибавки урожая клубней от затенения: на неудобренном фоне – в вариантах на 10Д 30Д (2,3 т/га, 12,6%), на 20Д 30-40Д (2,0-2,3 т/га, 10,8-12,3 %), на удобренном – на 10Д20Д (3,3 т/га, 13,3 %) и на 20Д10Д (4,4 т/га, 17,9 %). В этих вариантах получены наибольшие урожаи сырой и сухой фитомассы, в 2016 г. - до 100,2 т ботвы и клубней с гектара (прибавка - 6,8 т/га). На неудобренном фоне во всех случаях, а также на удобренном – при первом сроке затенения повышение продуктивности достигается, в основном, за счет более мощного ФПП, а на удобренном – при затенении на 20-й день после всходов – за счет роста ЧПФ. Таблица 35 - Урожайность клубней топинамбура, т/га