Почвенная засуха: причины, последствия, методы борьбы

Одной из особенностей развития сельского хозяйства, в частности растениеводства, является сильная зависимость процесса воспроизводства от природно-климатических факторов. От природных условий зависит урожайность, которая в свою очередь оказывает влияние на сбор и реализацию продукции растениеводства. Последние же показатели формируют цену на готовую продукцию, и, следовательно, структуру потребления продуктов населением.

С учетом того, что сильные засухи причиняют большой ущерб сельскому хозяйству, оценка способности воспроизведения современными климатическими моделями циркуляционных условий, приводящих к возникновению засушливых явлений в условиях глобального потепления, вызывает повышенный интерес. Особенно это важно для России, где большая часть посевных площадей находится в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения и где заметна тенденция к потеплению. По оценкам ученых, средняя по территории России скорость потепления в 1976-2008 гг. составляла 0,52^оС/10 лет, а через 30 лет средняя температура в целом для России может повыситься на 1,4оС.

Известно, что засуха возникает при устойчивом антициклональном типе жаркой погоды, при котором испарение превышает сумму осадков, что приводит к истощению запасов влаги в почве и гибели сельскохозяйственных культур. Основной причиной засухи, по мнению ученых, являются нисходящие движения воздушных масс в устойчивых антициклонах, которые вызывают адиабатический разогрев воздуха, уменьшение относительной влажности и сопровождаются повышением давления.

Засуха – это естественное метеорологическое явление, вызванное разностью потребностей растений во влаге и возможностью её поступления из почвы. При этом засуха может привести к гибели растений и гибели всего урожая в целом. Недостаток влаги в начальные периоды после посева сельскохозяйственных культур может спровоцировать недополучение всходов – семена так и останутся в почве не тронувшимися в рост. В начальные периоды вегетации, когда растения имеют слабую корневую систему, сильная засуха приводит к гибели корней. Незначительные засушливые периоды приводят к незначительному снижению потенциала урожайности.

Сильные засухи в период цветения – начала налива зерна приводят к абортации пыльцы и уменьшению урожая. В крайние периоды вегетации зачастую наблюдается ухудшение качества зерна, уменьшение массы 1000 семян, ухудшение посевных свойств семян, если растения выращиваются непосредственно на семенные цели.

Как максимально эффективно использовать метеостанцию и прогностическую систему

Метеостанция, как правило, состоит из набора датчиков, которые позволяют измерять температуру, влажность воздуха, давление, а также аналогичные показатели почвы на разной глубине, в том числе ряд других параметров, важных в сельском хозяйстве.

Вторым важным инструментом для принятия управленческих решений в условиях засухи является прогностическая система, которая позволяет делать прогнозы по влажности почвы в разные временные промежутки.

Также она позволяет использовать ретроспективные данные. На их основе, сравнивая с текущими условиями, агроном может принимать эффективные решения по улучшению состояния растений и стабилизации водного баланса в почве.

Для каждого сезона характерен свой тип засухи:

• весенняя засуха иссушает верхний слой почвы, замедляет прорастание семян и ослабляет всходы яровых культур, уменьшает количество колосков в колосе, а у озимых культур  сокращает число побегов в период кущения. Зачастую весенняя засуха сопровождается сильными ветрами, что также не самым лучшим образом сказывается на развитии растений;
• во время летней засухи наблюдается резкое ухудшение водного питания в период образования вторичных узловых корней, что отрицательно сказывается на развитии корневой системы. На растениях остаются только зародышевые корни, а это чревато недостатком водного и минерального питания у растений. В период образования зачаточных колосков и цветков недостаток влаги приводит к уменьшению числа колосков и зёрен;
• следствием осенних засух является малое накопление влаги в почве, что может усугубить возможную весеннюю засуху в следующем году. Во время осенней засухи сухость верхних слоёв почвы задерживает появление всходов. Посевы уходят в зиму недостаточно развитыми, неокрепшими, разреженными. Зимостойкость таких растений понижается.

Для эффективного управления засухой необходимо определить ее тип, который характерен для данного региона. После этого становится доступен определённый набор инструментов:

• гидромелиорация;
• химическая мелиорация почвы;
• подбор технологии обработки почвы, системы питания, системы защиты растений;
• подбор сортов и гибридов, адаптированных для подобных условий.

Гидромелиорации – это инструмент, который позволяет доносить влагу до корневой системы растения при помощи различных путей, к примеру, дождевания, капельного орошения, спецполива. Однако капиталовложения в эту систему значительно высокие и не каждое хозяйство может себе позволить организовать гидромелиорационные мероприятия.

Химическая мелиорация почвы является наиболее доступным для хозяйств всех форм собственности инструментом, имеющим массу преимуществ. Единственный недостаток – удаленность хозяйства от источника химического мелиоранта – фосфогипса.

Подбор системы обработки почвы направлен на накопление и сохранение влаги в почве. Лидером среди технологий является система No-Till, которая обеспечивает максимальное накопление и сохранение влаги в почве. Все остальные технологии подбираются непосредственно под каждое хозяйство.

Для правильного подбора систем питания необходимо понимать агрохимические показатели почвы и все критические минимумы элементов питания, которые необходимы для получения заданного урожая.

Система защиты должна обеспечивать доминирование культурных растений и отсутствие конкуренции сорной растительности за такой важный показатель, как влага.

Правильный подбор сортов и гибридов может обеспечить наиболее эффективное использование всех элементов управления засухой. Необходимо понимать, что использование одного либо нескольких инструментов может не дать желаемого эффекта. Максимальный эффект получается только при правильном комбинировании всех элементов управления, о которых идёт речь выше.

Как понять, есть ли засуха на почве либо её нет. Научный подход заключается в правильном планировании и постоянном мониторинге ситуации, которая происходит по принципу «здесь и сейчас» на поле.

Какой инструмент следует выбрать?

Первое – это различные коэффициенты. Наиболее употребимый из них является гидротермический коэффициент Селянинова. Этот коэффициент представляет собой соотношение суммы осадков к сумме температур. Однако он не отвечает на вопросы, что у нас происходит на поле в конкретный период времени. Для правильных ответов на эти вопросы необходимо иметь постоянный мониторинг уровня осадков в течение всего периода выращивания культуры. И очень важно использовать в работе осадкомера, иметь доступ к различным метеостанциям.

Если уровень осадков отличается на 10 мм в течение месяца (в сравнении с многолетними наблюдениями) – это слабая засуха, если она 20 мм – это средняя засуха. Более 50 мм указывает на сильную засуху, что говорит о достаточно серьезных последствиях для сельхозкультур.

Каждое хозяйство обязано мониторить уровень запаса влаги в почве, как в конце зимы, так и в течение всего периода вегетации. После того как определена степень засухи, необходимо определить её причины, чтобы в дальнейшем избежать её негативного влияния. И не всегда этой причиной являются высокие температуры, нехватка осадков, сильный ветер. Вполне возможно это может быть неправильное применение технологий либо низкий уровень квалификации специалистов, работающих в хозяйстве.

В процессе эволюции в растениях были выработаны адаптационные механизмы для приспособления к воздействию абиотических и биотических условий внешней среды. В последнее время ведутся интенсивные исследования для выявления ответных реакций растений на возможные стрессовые ситуации (засуха, солевой стресс, низкие и высокие температуры и др.).

Производство растениеводческой продукции в значительной степени зависит от условий окружающей среды (засуха, холод, жара, засоление и др. неблагоприятные факторы), а также от подбора генотипов, адаптированных к стрессовым условиям выращивания. Как отмечали специалисты Института растениеводства им. В.Я. Юрьева НААН, г. Харьков, в Украине, также как и в России одним из важных ограничивающих факторов получения стабильных урожаев является периодически повторяющаяся почвенная и воздушная засуха, которая проявляется на начальном этапе органогенеза – фазе прорастания семян.

Поэтому в селекции того же ячменя ярового значительное внимание специалисты уделяют созданию сортов со стабильной урожайностью. Особенно это актуально на фоне постоянно меняющегося климата в сторону потепления, с уменьшением количества выпадающих атмосферных осадков.

Устойчивость сортов к дефициту почвенной влаги на начальных этапах онтогенеза имеет важное значение для дальнейшего развития растений. Для гарантий обеспечения сельского хозяйства от потерь в засушливые годы, необходимо иметь устойчивые к дефициту влаги сорта ячменя ярового. Прямая оценка засухоустойчивости в поле при всей ее объективности требует многолетних наблюдений. Засуха бывает не каждый год, меняется ее характер, периоды проявления. Для ускорения селекционного процесса в последнее время все чаще применяют косвенную оценку засухоустойчивости с помощью лабораторно физиологических методов. Особый интерес представляют методы ранней диагностики на зерне и проростках, поскольку они дают возможность проводить исследования в течении года и анализировать большое количество образцов.

Ученые Национального центра генетических ресурсов растений Украины (НЦГРРУ) в период с 2014 г. по 2016 г. проведена оценка 150 образцов ячменя ярового на способность семян к прорастанию в имитированных условиях засухи, то есть прорастание в условиях осмотического давления. Учет засухоустойчивости образцов проводили по длине корешка проросших семян по отношению к проросшим на контроле.

В результате исследований коллекционного материала образцы ячменя ярового были разделены на пять групп по устойчивости к засухе: неустойчивые (0,0- 17,0 % проросших семян в условиях осмотического давления) — 79 образцов, слабоустойчивые (18,0-34,0 % проросших семян) — 55 образцов, среднеустойчивые (35,0-51,0 % проросших семян) — 11 образцов, с устойчивостью выше средней (52,0-68,0 % проросших семян) три образца, высокоустойчивые (69,0-85,0 % проросших семян) два образца.

В течение трех лет в лабораторных условиях среди 150 образцов коллекционного материала выделено пять образцов ячменя ярового с устойчивостью к засухе, а именно:

высокоустойчивыми (ВУ) были два образца происхождением из Украины  это Гатунок и 10-1205, три образца были с вышесредней устойчивостью (ВС), один из которых происхождением из Канады – SB 87834 и два из России – Майский и Оскар, у которых количество проросших семян в условиях осмотического давления по отношению к контрольному варианту составляло - 81,6, 73,3, 68,6, 65,1, 55,0% соответственно. Данные образцы украинские ученые отнесли к категории источников устойчивости к засухе.

Аналогичное исследование провел Сергей Лепехов – сотрудник ГНУ Алтайский НИИСХ Россельхозакадемии, г. Барнаул. Как отметил специалист в своей работе, в разнообразных почвенно-климатических условиях Западной Сибири требуются сорта яровой пшеницы разных типов. Если в северных и предгорных районах могут успешно возделываться преимущественно скороспелые, устойчивые к полеганию сорта, то в южных степных районах на первое место выходят среднеспелые, засухоустойчивые.

Общим требованием к сортам степного экотипа является их высокая засухоустойчивость в период всходы-колошение, устойчивость к поражению корневыми гнилями, что выражается в лучшей выживаемости растений и способности к продуктивному кущению в относительно благоприятных условиях, эти особенности обеспечивают густой продуктивный стеблестой к моменту уборки.

В условиях юга Сибири и Северного Казахстана скороспелые и ранние сорта яровой мягкой пшеницы по уровню и величине урожая в значительной степени уступают среднеспелым и поздним. Раннеспелые сорта «уходят» не только от засухи путем сокращения длительности вегетации, но и от благоприятных условий развития. В отдельные годы, когда проявляется летняя (июльская) засуха, сорта среднепозднего биотипа теряют урожайность из-за щуплости зерна. При общей нестабильности урожайности меньшую изменчивость проявляют сорта среднеспелой группы.

В связи с этим целью исследовательской работы было изучение коллекции среднеспелых сортообразцов яровой мягкой пшеницы в условиях лесостепи Алтайского края и выявление перспективного исходного материала для создания сортов степного экотипа.

В исследовании принимали участие 47 среднеспелых сортов различного эколого-географического происхождения. Стандартами являлись Алтайская 100 и Алтайская 325. Опыт проведён в 2010 - 2011 годах на полях Алтайского НИИСХ. Сорта в 2010 году высевали по паровому предшественнику, в 2011 – по паровому и зерновому предшественнику.

Погодные условия 2010 г. были засушливыми в первой половине вегетации и влажными во второй. Практически весь полевой сезон 2011 года, исключая конец мая – начало июня, был засушливым с повышенными температурами в мае и июне. Сумма осадков за вегетацию в 2010 г. составила 73% от среднемноголетнего значения.

Средняя по набору генотипов урожайность в варианте по паровому предшественнику была практически одинаковой (274 и 273 г/м² соответственно), но различное время, длительность и интенсивность засухи этих лет влияли на количественные признаки в неодинаковой мере.

Так, весенне-летняя засуха 2010 г. способствовала снижению густоты стояния растений и количества фертильных колосков. При устойчивой засухе 2011 г. происходило уменьшение длины соломины и особенно верхнего междоузлия, продуктивности растения и всех его элементов (за исключением озернённости колоса), а также снижение уборочного индекса (К_хоз).

Ещё более жёсткие условия сложились на стерневом фоне, где средняя урожайность составила 183 г/м². В большей степени снижалась продуктивность растения, а также длина верхнего междоузлия и высота, по сравнению с паровым предшественником этого же года. Сорта, превзошедшие стандарт по урожайности в 2010 г., представлены в таблице 1. Данные генотипы могут выступать в качестве исходного материала для выведения сортов, урожайных при весенне-летней засухе.

Лютесценс 1300 и Лютесценс 16-04 имели наибольшую густоту стояния растений, а Лютесценс 259 и Степная 15 — наибольшее число фертильных колосков.

В 2011 г. в варианте опыта по паровому предшественнику было обнаружено 16 сортообразцов, превзошедших стандарт по урожайности (табл. 2). Снижение коэффициента продуктивного кущения в 2011 г. по сравнению с 2010 г. составило 20%, в то время как снижение массы зерна с побега кущения – 48%.

Средняя положительная взаимосвязь массы зерна побочного и главного колоса (г = 0,53, значимо при Р < 0,001) указывает на то, что развитие более крупного побочного колоса не ведёт к снижению продуктивности главного колоса. К тому же конечный результат продукционного процесса растения, выявляемый по высокой массе зерна главного и побочного колоса, указывает на способность сорта обеспечивать потребности колосьев при дефиците влаги. Лишь Лютесценс 697, Лютесценс 899 и Лютесценс 1350 обладали такой способностью. Именно эти генотипы и превзошли стандарт по массе зерна с растения.

Однако существует и другой путь формирования высокой продуктивности растения. Так, сорт Светланка характеризуется крупным главным колосом при невысоком вкладе побега кущения в массу зерна растения. Кроме вышеупомянутых образцов высокую массу зерна с главного колоса имели Саратовская 29, Лютесценс 36/с, Лютесценс 622, Лютесценс 827/01-42.

Следовательно, данные генотипы, по мнению ученых Алтайского НИИСХ, могут выступать в качестве исходного материала при создании сортов, относительно продуктивных при устойчивой засухе. По высокой озернённости колоска можно выделить Лютесценс 697 и Лютесценс 1350, а по высокой массе 1000 зёрен - Саратовскую 68, Саратовскую 72, Лютесценс 36/с, Лютесценс 899, Светланку и Лютесценс 827/01-42.

Высокий уборочный индекс отмечен лишь у Лютесценс 697.

Одним из критериев высокой засухоустойчивости сортов является способность к лучшему росту в условиях засухи, что можно выявить по высоте растения и длине верхнего междоузлия. По данным признакам ценность для селекции представляют Лютесценс 36/с и Светланка.

Несмотря на то, что время наступления и длительность засухи в 2010 и 2011 годах отличались, но некоторые сортообразцы характеризовались высокой урожайностью в оба года изучения. К таким генотипам можно отнести Лютесценс 36/с, Лютесценс 622, Лютесценс 827/01-42, Эритроспермум 78, Дуэт, Лютесценс 1350, Лютесценс 1599. Они заслуживают пристального внимания, так как адаптированы к широкому интервалу засушливых условий.

В более жёстких условиях зернового предшественника было выделено только 7 генотипов, превзошедших стандарт по урожайности. Поэтому для выявления источников хозяйственно-ценных признаков учитывались также и среднеурожайные сорта. В таких условиях сорта не имели достоверных отличий по массе зерна с побега кущения и растения, а по продуктивности главного колоса выделилась лишь Саратовская 29.

По числу фертильных колосков практически все рассматриваемые сорта превзошли Алтайскую 100, а по озернённости главного колоса - Саратовская 29, Лютесценс 622 и Лютесценс 1599. Наиболее высокорослыми в данном варианте опыта являлись Саратовская 29, Лютесценс 622 и Байтерек.

Лютесценс 827/01-42 и Эритроспермум 78 достоверно превосходили стандарт по урожайности в трёх вариантах опыта. Поэтому данные генотипы широко адаптированы к различным условиям засухи.

Таким образом, на основании оценки сортообразцов в жёстких погодных условиях на естественном фоне, выделены засухоустойчивые формы, которые могут быть использованы для селекции яровой пшеницы степного экологического типа.

Ученые Бурятского НИИ сельского хозяйства и Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова в период с 2014 по 2016 гг. изучали влияние систематического применения удобрений на продуктивность пшеницы в условиях засухи в сухостепной зоне Западного Забайкалья.

В ходе исследования специалисты выявили, что на урожайность зерна и эффективность удобрений наибольшее влияние оказывают условия увлажнения начала вегетации.

Агрохимические особенности каштановых почв Западного Забайкалья, высокая потребность растений в питательных веществах в короткий период вегетации, продолжительная засуха в регионе обуславливают необходимость разработки и внедрения в практику оптимизированных ресурсосберегающих систем земледелия в целом и, несомненно, систем применения удобрений.

Исследования проводились на опытном поле Бурятского НИИСХ в условиях богары. В опыте изучалось тринадцать вариантов применения минеральных и органических удобрений в 4-польном зернопаровом севообороте (пар – пшеница – овес на зерно – овес на зеленую массу).

Содержание подвижного фосфора (по Чирикову) изменялось от повышенной и высокой на контроле до очень высокой на вариантах минеральной, органической и органо-минеральной систем удобрений. Содержание обменного калия (по Чирикову) было средним на контроле и при систематическом внесении азотно-фосфорных удобрений; повышенное и высокое – при внесении калийных удобрений в составе полного минерального удобрения, органического и органо-минеральных удобрений.

Климатические условия в период 2013-2016 гг. характеризовались крайне неблагоприятными условиями вегетации зерновых культур. Относительно благоприятными были условия в 2013 году, в мае и июне выпало осадков на 21% выше нормы. В целом, за период исследований в 2014-2016 гг. на типичную весенне-раннелетнюю засуху наложилась засуха в июле. Очень низкое содержание органического вещества (1,1-1,8%) и неблагоприятные условия для нитрификации в весенний период не способствовали накоплению минерального подвижного азота в пахотном слое почвы.

Содержание нитратного азота в почве перед посевом оценивалось как очень низкое (1,8-4,8 мг/кг). Действие минеральных и органических удобрений в большей мере проявляется в годы с относительно благоприятным режимом атмосферного увлажнения вегетационного периода. По результатам исследований в 2013-2016 гг. удалось определить эффективность различных систем удобрений в зернопаровом севообороте в условиях продолжительной засухи. Продуктивность пшеницы по пару в среднем за период исследований была очень низкой (табл. 2).

Наименьший урожай пшеницы получен на неудобренном варианте; вариантах с внесением фосфорно-калийных удобрений (P40K40) и высокой дозы полного минерального удобрения - эквивалентного 20 т/га навоза (N100P50K120). Максимальный урожай получен на вариантах с внесением азотно - фосфорного удобрения (N40P40) и органических удобрений в дозе 20 т/га. Однако существенных различий удобренных вариантов от контрольного в целом за четыре года наблюдений не отмечено, что связано с высокой вариабельностью урожайности.

Наибольшее влияние на урожай культур и отзывчивость удобрений оказали условия увлажнения в мае и июне. В этот период растения проходят фазы всходы, кущение и выход в трубку. Основными факторами, определяющими продуктивность пшеницы, являются полевая всхожесть, количество узловых корней, коэффициент кущения, число колосков в колосе, число зерен в колоске и площадь листьев. В 2013 году в мае-июне выпало осадков больше среднемноголетней нормы, что и обусловило относительно более высокий урожай зерна пшеницы.

Минеральные и органические удобрения, внесенные в паровое поле оказывали разнонаправленное действие на урожай пшеницы по пару. При наличие значительного дефицита увлажнения в весенне-летний период эффект от удобрений либо отсутствовал, либо проявлялось их депрессирующее действие на урожай. В 2013 году, с относительно благоприятными условиями увлажнения в мае-июне, получена достоверная прибавка от внесения азотных удобрений (N20-60) в двойных и тройных комбинациях с фосфорными и калийными удобрениями. Наиболее эффективной были азотно-фосфорные удобрения в дозе N40P40.Действие калийных удобрений в целом было неэффективным, что обусловлено значительными запасами обменного калия в почве и низком выносе с урожаем. Фосфорные удобрения проявили эффективность лишь в составе полного минерального удобрения N40P40K40.

Внесение органических удобрений оказывало эффект при отсутствии засухи в мае-июне, наиболее оптимальной из органических удобрений следует считать дозу 20 т/га. При сравнении эффективности различных систем удобрений, вносимых на ротацию севооборота: минеральной, органической и органоминеральной, выявлено, что наибольшая прибавка в засушливые получена при использовании органической системы удобрений. Минеральная система, с внесением в паровое поле эквивалентной 20 т/га навоза дозы N100P50K120, показала наименьшую эффективность в сравнении с этими вариантами. В условиях сухой степи продуктивность пшеницы по пару и эффективность удобрений зависели от условий увлажнения периода вегетации. При этом наибольшее влияние оказывали осадки первой половины вегетации в период закладки и формирования основных элементов продуктивности.

Это далеко не все исследования российских ученых, касающиеся определения наилучших сортов и гибридов, которые могут благополучно выращиваться в стрессовых условиях, к которым относится засуха. Специалисты ведущих аграрных стран находятся в постоянном поиске сортов, которые смогут противостоять засухе, обеспечивая высокие урожаи.

Список литературы находится в редакции.