Основы программирования урожайности полевых культур

Основой внедрения достижений науки на современном этапе для получения высоких и стабильных урожаев становится метод программирования урожаев.

Программирование урожаев – это разработка комплекса технологических приемов, обеспечивающих оптимизацию регулируемых факторов среды для получения заданного высокого уровня урожая полевой культуры.

Программирование дает возможность запланировать величину урожая на каждом поле и обеспечить его получение путем гибкого использования всей совокупности знаний о причинно-следственных связях, определяющих взаимодействие элементов агрокомплекса с полем.

Методологическую основу программирования урожаев сельскохозяйственных культур составляют десять принципов, сформированных академиком И.С. Шатиловым.

Первый принцип программирования урожаев состоит в том, чтобы определить биогидротермический показатель продуктивности фитомассы по приходу радиации, продуктивной влаге, сумме температур и периоду вегетации для конкретной географической зоны.

Урожай формируется за счет солнечной энергии и углекислого газа, находящегося в атмосфере. Поэтому все агротехнические приемы направлены к тому, чтобы помочь растению лучше использовать солнечную энергию. Зная приход ФАР за период вегетации, можно поставить задачу формирования посева с усвоением, например 3 % ФАР, а на основе этого показателя определить потенциальную урожайность культуры.

Следовательно, второй принцип программирования урожайности основан на определении ее по коэффициенту использования растениями ФАР.

Для получения запрограммированных урожаев необходимо знать потенциальные возможности культуры (сорта). В природных условиях потенциальные возможности одного и того же сорта изменяются в зависимости от зоны выращивания. Такие данные можно получить, проводя непосредственные эксперименты или пользуясь материалами госсортоучастков. Располагая подобными данными, можно найти такой подбор сортов, который позволит лучше использовать солнечную энергию в течение вегетационного периода.

Таким образом, третий принцип программирования урожайности состоит в определении потенциальных возможностей сорта применительно к тем условиям, где предполагается возделывать сорт.

Четвертый принцип программирования урожаев заключается в том, чтобы на поле, занятом растениями, сформировать такой фотосинтетический потенциал (ФП), который будет способен обеспечить запрограммированный уровень урожайности.

Каждая тысяча единиц фотосинтетического потенциала в среднем обеспечивает получение 3-4 кг зерна. Поэтому для урожая зерна зерновых культур в 100 ц/га необходимо сформировать фотосинтетический потенциал, равный приблизительно 3,0 млн. единиц.

Урожайность определяется не только биологическими особенностями культуры (сорта), но и условиями ее выращивания. При программировании урожайности необходимо учитывать и правильно применять основные законы земледелия и растениеводства.

Таким образом, пятый принцип – состоит в необходимости правильно использовать основные законы земледелия и растениеводства.

Шестой принцип программирования урожаев состоит в том, чтобы разработать систему удобрений с учетом эффективного плодородия почвы и потребностей растений в питательных веществах. Удобрение – мощный фактор повышения урожайности. Необходимо вносить такое количество удобрений и в таком соотношении, которое обеспечивало бы урожаи рассчитанной величины с хорошим качеством продукции.

Для обеспечения высокой эффективности удобрений или сорта надо комплексом агротехнических мероприятий создать среду, благоприятную для выращивания культуры. Успехи селекции последних лет предопределили разработку сортовой агротехники, так как новые сорта характеризуются иным ходом поступления питательных веществ и более экономным расходованием влаги на формирование урожая.

Следовательно, седьмой принцип программирования урожаев – разработка комплекса агротехнических приемов исходя из специфических требований сорта.

Сельскохозяйственная наука накопила большой экспериментальный материал по водопотреблению различных культурных растений. Установлена оптимальная влажность почвы в разные фазы развития любого вида полевой культуры. Четко определены критические периоды в развитии различных культур по отношению к влаге.

Восьмой принцип программирования урожаев заключается в том, чтобы в орошаемом земледелии обеспечивать потребности растений в воде в оптимальных размерах, а в богарных условиях определять уровень урожайности исходя из сложившихся климатических условий.

В условиях богарного земледелия представляется возможным определить вероятный водный режим растений на основе метеоданных и по ним рассчитывать водный баланс и уровень урожайности.

Выращивание высоких урожаев немыслимо без разработки комплекса мер борьбы с болезнями и вредителями растений. Для каждой культуры в каждой конкретной зоне разрабатываются совершено определенные мероприятия по борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.

Следовательно, девятый принцип программирования урожаев состоит в том, чтобы обеспечить выращивание здоровых растений, исключить отрицательное влияние на их рост и урожайность болезней и вредителей.

Накопление достоверных экспериментальных данных по получению заранее рассчитанной урожайности позволяет подойти к математическому моделированию программирования урожайности.

Десятый принцип программирования урожаев предусматривает использование математического аппарата для определения оптимального варианта комплекса агроприемов, выполнение которого обеспечит получение планируемого урожая.

Перечисленные принципы охватывают три основных аспекта - агрометеорологический, агрофизический и агротехнический, которыми в основном определяется проблема программирования урожая. Основные факторы урожайности – метеорологические, агрофизические и агротехнические, разумным образом учтенные и примененные в комплексном сочетании, позволяют выращивать запланированные урожаи.

Программирование урожаев имеет свою специальную шкалу соответствующих уровней урожайности, включая урожайность производства, действительно возможную, климатически обеспеченную, потенциальную урожайности. Как и любая шкала, шкала уровней урожайности имеет начальную точку отсчета. За начальную точку отсчета в шкале урожайности принимается значение потенциальной урожайности, так как уровень урожайности, достигаемый в производственных условиях, имеет значительные колебания, а нулевое значение не имеет биологического смысла.

Потенциальная урожайность (ПУ) может быть достигнута на высокоплодородных почвах при оптимальной агротехнике, идеальных метеорологических условиях и при исключении потерь урожая от сорняков, вредителей и болезней.

Климатически обеспеченная урожайность (КУ) – это та максимальная урожайность, которая может быть достигнута в реальных метеорологических условиях на высокоплодородных почвах (при оптимальной агротехнике).

Действительно возможная урожайность (ДВУ) – эта та максимальная урожайность, которая может быть достигнута на конкретном поле (с учетом его реального плодородия), в конкретных метеорологических условиях. При этом предполагается, что уровень ДВУ достигается посредством оптимальной агротехники при наличии соответствующих энергетических и трудовых ресурсов. Расположение значений этих урожайностей на общей шкале соответствует следующим соотношениям между ними:

ДВУ≤КУ≤ПУ

Разработке теории программирования урожайности сопутствует научное обоснование различных уровней урожайности, выявление причин несоответствия между ними и определение путей перехода от более низкого уровня к более высокому.

Весь процесс выращивания запланированного урожая рассматривается как осуществление ряда хорошо известных в земледелии технологических процессов (от посева до уборки). Каждый такой процесс управляется хорошо оправдавшими себя агротехническими мерами, с помощью которых в благоприятном направлении изменяются механические, гидротермические, радиационные, транспирационные, аэрационные свойства системы растение - почва – приземный воздух для оптимального использования ею важнейших пяти факторов урожайности – света, тепла, влаги, пищи, СО₂.

Программирование урожаев предусматривает:

ü Определение величины потенциально возможного урожая (ПУ).

ü Расчет действительно возможного урожая культуры (ДВУ).

ü Выявление причин несоответствия между фактически получаемыми урожаями и действительно возможными.

ü Определение планируемой урожайности. Расчет норм внесения минеральных и органических удобрений под программируемый урожай с учетом агрохимических показателей почвы и биологических особенностей культуры.

ü Выбор технологической схемы возделывания культуры. Составление технологических карт, включающих все необходимые агротехнические мероприятия, способы и сроки их выполнения.

ü Своевременное и качественное выполнение агротехнических приемов. Оперативная корректировка элементов технологии в процессе ее выполнения.

ü Учет урожая и условий выращивания культур с целью накопления информации для уточнения расчетов. Выявление факторов, лимитирующих получение действительно возможных урожаев, заложенных в генетическом потенциале каждого сорта.

ü Всесторонняя экономическая оценка разрабатываемого комплекса мероприятий, обеспечивающих высокие прогнозируемые урожаи.

Определение потенциальной урожайности и фитометрических показателей.

Повышение урожайности благодаря увеличению продуктивности фотосинтеза растений в посевах и в частности, повышение чистой продуктивности фотосинтеза таит в себе большие возможности, так как 90-95 % биомассы растений составляют органические вещества, образуемые в процессе фотосинтеза. В то же время выявлено, что конечным решающим фактором, определяющим максимально возможную урожайность, может быть приход солнечной радиации. Биологический предел продуктивности листа растений может быть достигнут тогда, когда фотосинтез будет осуществляться с максимально возможным коэффициентом использования приходящей энергии ФАР.

Наиболее распространенный способ определения величины потенциальной урожайности заключается в ее вычислении через значение коэффициента использования ФАР (фотосинтетически активной радиации). Расчетная формула имеет следующий вид:

,

где ПУ- величина потенциальной урожайности основной и побочной продукции по сухому веществу, ц/га; q – удельная калорийность сухой биомассы, ккал/кг; ∑Q_ФАР – суммарное поступление ФАР к поверхности посева за период вегетации, ккал/га; К_ФАР – коэффициент использования ФАР посевом, выбираемый на границе своих максимально возможных значений, %.

В зависимости от качества посевов значения коэффициента использования ФАР могут изменяться по Ничипоровичу А.А. в следующих пределах: обычно наблюдаемые - 0,5-1,5 %; хорошие – 1,5-3,0 %; рекордные – 3-5 %;теоретически возможные – до 8 %. Для получения значения ПУ в единицах основной продукции (например, зерна или клубней) при стандартном значении влажности биомассы необходимо величину ПУ умножить на специальный сомножитель:

,

где ПУ_О – потенциальная урожайность по основной продукции при стандартной влажности биомассы, ц/га; В – значение стандартной влажности биомассы в процентах; α- сумма частей в отношении основной продукции к побочной.

К пониманию продуктивности растений можно подойти, лишь увязав фотосинтез с процессами газообмена и дыхания и придерживаясь концепции максимальной продуктивности растений, растительных сообществ и сельскохозяйственных культур. Огромное количество работ посвящено вопросам выявления того, какой должна быть идеальная структура листьев посева, чтобы обеспечить наилучшее поглощение и использование солнечной радиации в процессе фотосинтеза и максимальный газообмен. В этом плане решаются многочисленные аспекты этой проблемы, такие, как адапционный механизм листьев к максимальному использованию ФАР, гелиотропизм, характер внешних условий, необходимых для развития оптимальной конструкции листовой массы и всего посева.

Фотосинтетическая деятельность посева, в конечном счете, определяющая размер и качество урожая, представляет собой сложное явление, включающее ряд следующих важных слагаемых:

· Размер фотосинтетического аппарата, или площадь листьев, и графики ее роста. Именно от размера площади листьев и ее пространственной структуры зависят количество поглощаемой посевом энергии, возможная первичная продукция органических веществ и суммарная транспирация. Выражается в м²/га, достигая 60-80 тыс. м²/га. Иногда в литературе площадь листьев выражают индексом листовой поверхности, который представляет собой отношение суммарной площади листьев растений к той земельной площади, на которой они размещены. Считается, что при индексе листовой поверхности 5-6 или площади листьев 50-60 тыс. м² на 1 га посев как оптическая фотосинтезирующая система работает в оптимальном режиме, поглощая наибольшее количество ФАР.

· Показатель фотосинтетического потенциала посева. Формирование урожая зависит не только от площади листьев, но и от времени их функционирования. Фотосинтетический потенциал (ФП) как раз и объединяет эти показатели. Математически он представляет собой интеграл хода роста площади листьев в течение вегетации или сумму дневных показателей площади листьев (как основной рабочей единицы посева) за весь период вегетации. Практически может быть получен путем суммирования величин площади листьев в м²/га за каждые сутки периода вегетации. Варьирует в пределах от 0,5 до 5 млн. м²/га*дн.

· Показатель чистой продуктивности фотосинтеза. В практике полезность учета площади листьев может быть большей, если его сочетать с учетом хода нарастания сухой массы биологического и хозяйственного урожаев. Чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) характеризует интенсивность фотосинтеза посева и измеряется количеством сухой органической массы в граммах, которое синтезирует 1 м² листовой поверхности в сутки, выражается г/м²*дн. Изменяется в течение периода вегетации от 0 и даже отрицательных величин до 55 г/м² в сутки. Прирост биомассы или ее урожайность за вегетацию равна произведению ФП и ЧПФ.

· Потери органического вещества на дыхание и отмирание органов. Резкие увеличения этого показателя могут наступать в период сильных повышений температур и засух. В связи с этим прирост общей биомассы урожая иногда не только приостанавливается, но она даже может снижаться.

· Коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза. То есть доли биомассы и энергии общего урожая, сосредоточенной в хозяйственной части урожая. Все агротехнические мероприятия должны быть направлены на получение наивысших значений этого показателя.

Таким образом, высокие урожаи обеспечиваются определенным ходом фотосинтетической деятельности растений в посевах. Оптимальный ход нарастания площади листьев и биомассы должен быть определен для каждого сорта в конкретных условиях выращивания.

Определение климатически обеспеченной урожайности (КУ).

Урожайность сельскохозяйственных культур в решающей степени зависит от режима влагообеспеченности растений в течение вегетации. Для реализации потенциальной продуктивности растений влажность почвы в течение вегетации должна быть в диапазоне от 100 до 60 % предельной полевой влагоемкости. Забота о постоянном обеспечении растений водой составляет основу всех агротехнических приемов земледелия. Недостаток воды, аккумулирующейся в почве, зачастую выступает фактором, ограничивающим урожай.

Показатель климатически обеспеченного урожая по влагообеспеченности определяют по следующей формуле:

,

где У_КУ – урожай абсолютно сухой биомассы, ц/га; W – количество фактически доступной для растений продуктивной влаги, мм; К_В – коэффициент суммарного водопотребления, мм/ц.

Продуктивная влага (W) определяется как сумма запасов доступной для растений влаги в метровом слое почвы в период сева или возобновления активной вегетации озимых культур и многолетних трав плюс эффективно используемые атмосферные осадки за вегетационный период, т. е.

,

где W_O – запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы, мм; О_С - количество выпадающих осадков за период вегетации, мм.

Другой способ расчета КУ с учетом водных и тепловых ресурсов основан на использовании статистической связи между урожаем и гидротермическим показателем, который определяется по формуле А.М. Рябчикова:

,

ГТП – биогидротермический потенциал продуктивности, балл; W - запасы продуктивной влаги, мм; T_V – период вегетации, декады; 36 – число декад в году; R – радиационный баланс, или суммарная ФАР за вегетационный период культуры, ккал/см².

Каждый балл продуктивности соответствует в среднем 20 ц/га урожая абсолютно сухой биомассы и ГТП пересчитывается в урожай по формуле:

,

Затем осуществляется перевод урожая абсолютно сухой биомассы, к величине урожайности хозяйственно-полезной растениеводческой продукции при стандартной влажности.

Хотя Беларусь относится к зоне избыточного и достаточного увлажнения только редкие годы являются удовлетворительными по влагообеспеченности. Дефицит влаги в почве - наиболее типичная причина того, что реальное водопотребление (и в частности транспирация) меньше своего потенциального значения. Рациональное управление водным режимом сельскохозяйственного поля таит в себе значительные резервы повышения урожайности и у нас в республике.

Определение действительно возможной урожайности (ДВУ).

Установлено, что чаще всего и на большей части территории земли факторами, определяющими уровень урожайности по закону минимума, является не только недостаточное водоснабжение, но и низкое плодородие почв. Поэтому величина действительно возможного урожая каждого поля лимитируется также и почвенным плодородием. Сравнительная оценка почв по их производительности, строится на сопоставлении объективных признаков, свойств и режимов почв с многолетней средней урожайностью сельскохозяйственных культур при определенном уровне интенсивности земледелия и называется бонитировкой.

Наиболее простой способ вычисления ДВУ через величину балла почвенного бонитета (Б_п), которая выбирается по соответствующей бонитировочной шкале. В простейшем представлении:

,

где Ц_БЛ - урожайная цена балла почвы, определяется для конкретных условий зоны путем статистического анализа данных урожайности по каждой культуре, кг/га; К_Х – поправочный коэффициент на агрохимические свойства почвы.

Наибольшее снижение перспективной балльной оценки связано с неблагоприятными агрохимическими свойствами почв: низкое содержание подвижного фосфора, обменного калия, гумуса, повышенная кислотность и т.д.

Получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур в нашей республике возможно лишь при полной обеспеченности растений элементами минеральной пищи, создание на определенном достаточно продолжительном отрезке времени положительного баланса питательных веществ, ведущего к повышению их запасов в почве.

Важнейшим условием программирования и достижения заданного урожая является обоснование оптимальных доз удобрений, удовлетворение заранее известных потребностей растений в питательных веществах, сохранение и повышение эффективного плодородия почвы, а также охрана окружающей среды (грунтовых вод, водоемов) от загрязнения химическими мелиорантами. Положительные результаты при обосновании норм питательных веществ дает учет следующих агрохимических показателей: химический состав основной и побочной продукции; вынос элементов минерального питания единицей урожая; обеспеченность почв доступными для растений азотом, фосфором, калием и микроэлементами; использование NРК почвы и удобрений полевыми культурами с учетом типа почвы, погодных условий и уровня заданных урожаев; окупаемостью 1 кг действующего вещества NРК урожаем.

Расчетные дозы удобрений под сельскохозяйственные культуры корректируются с учетом имеющихся в хозяйстве видов и форм удобрений. При разработке системы удобрения необходимо выбрать не только обоснованные нормы, но и сроки, а также способы внесения органических и минеральных удобрений.

Современная интенсивная технология производства сельскохозяйственных культур имеет целью обеспечение максимально высоких урожаев, которые могут быть достигнуты при имеющихся факторах среды. Это может быть достигнуто только в том случае, если за посевами от момента сева до уборки урожая осуществляется оптимальный уход.

При программировании урожаев необходимо строго соблюдать требования по агротехнике сельскохозяйственных культур, в особенности по срокам проведения всех технологических операций на каждом поле. Технологические схемы выращивания запрограммированных урожаев большинства сельскохозяйственных культур включают в себя правильно подобранные операции:

Точная обработка почвы. Основа высокого урожая закладывается уже перед посевом, а именно в результате обработки почвы.

Применение высококачественного семенного материала. Применение высококачественного семенного материала с высокой всхожестью имеет решающее значение для раннего этапа развития растений.

Расчет оптимальной нормы высева с учетом почвенно-агроклиматических условий района возделывания. Норма высева уже в значительной мере определяет желательное число растений на 1 м².

Равномерная глубина заделки семян.

Цель возделывания сельскохозяйственных культур заключается в достижении равномерной и высокой полевой всхожести.

Целенаправленная борьба с сорняками.

Для реализации высокой урожайности сорта необходимо как можно раньше исключить влияние сорняков конкурирующих с культурными растениями за факторы роста.

Борьба с болезнями и вредителями.

Важно гарантировать, чтобы вложенные до сих пор затраты приводили также к ожидаемой урожайности. Ибо, если проявить халатность и допустить развитие болезней и вредителей, это может повлечь за собой значительные потери урожая.

Уборка.

Уборка – завершающая технологическая операция в возделывании полевой культуры. Главная задача заключается в том, чтобы собрать урожай с минимальными потерями количества и качества продукции. Для каждой культуры эта задача решается своими технологическими приемами и своим набором техники.

Важным этапом программирования является составление обоснованной технологической карты получения запрограммированного урожая. Технологическая карта – это технический проект урожая. В нем закладываются детальный план мероприятий, отражающий последовательность, сроки, количество и качество всех работ от подготовки семян к посеву до завершения уборки. В технологической карте должны быть учтены общеизвестные, но не всегда используемые агроприемы.

Поскольку многие важные факторы среды остаются нерегулируемыми, то даже при оптимизации всех регулируемых факторов невозможно получать высокие урожаи ежегодно. Доля риска в разных зонах различна. Она определяется процентом лет с острым недостатком влаги или с избыточным увлажнением, с заморозками, губительным градом. Определить долю риска помогают результаты многолетних наблюдений зональных метеостанций. Чем больше процент лет с неблагоприятными метеорологическими условиями, тем выше доля риска получения высокого урожая.

Всестороннее и полное программирование хода формирования урожая с учетом всех влияющих на него факторов осуществить пока еще трудно. Однако многолетние поиски исследователей позволяют уже сегодня использовать некоторые обобщения для разработки элементов программирования урожая, осуществлять некоторую коррекцию условий выращивания в ходе формирования урожая.