Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вопросы биологии и технологии ячменя (обзор литературы) 8
Глава 2. Условия, объекты и методика проведения исследований 25
2.1 Почвенно-климатические особенности зоны 25
2.2 Метеорологические условия в годы проведения опытов 26
2.3 Материал и методика проведения исследований 28
Глава 3. Оптимизация технологии возделывания голозёрного ячменя в условиях южной лесостепи Западной Сибири 32
3.1 Оценка водного режима почвы и водопотребления голозёрного ячменя 32
3.2 Состав микрофлоры и биологическая активность почвы 38
3.3 Засоренность посевов голозёрного ячменя 44
3.4 Изучение стеблестоя голозёрного ячменя 63
3.5 Урожайность зерна и структура урожая голозёрного ячменя . 75
3.6 Качество зерна голозёрного ячменя 90
Глава 4. Экономическая и биоэнергетическая эффективность технологии возделывания голозёрного ячменя 99
4.1 Экономическая эффективность 99
4.2 Биоэнергетическая эффективность 106
Заключение 110
Рекомендации производству 112
Библиографический список 113
Приложения 133
- Вопросы биологии и технологии ячменя (обзор литературы)
- Засоренность посевов голозёрного ячменя
- Урожайность зерна и структура урожая голозёрного ячменя
- Биоэнергетическая эффективность
Вопросы биологии и технологии ячменя (обзор литературы)
По ботанической классификации ячмень относят к роду Hordeum, семейству Poaceae (Вавилов П.П., 1984). В культуре известен только один вид Hordeum sati-vum Jeaaen (Орлов А.А., 1935). В Западной Сибири распространена яровая форма из трех подвидов: многорядный, двурядный и промежуточный (Костылев А.В., 1972; Василевский В.Д., 2009). У большинства форм ячменя цветочные пленки плотно срастаются с зерновкой (пленчатый ячмень), а у некоторых форм зерновки полностью освобождаются от заключающих её цветочных пленок (голозерный ячмень) (Бахтеев Ф.Х., 1955).
Ячмень одна из наиболее древних культур. Он был важной зерновой культурой еще в древнем Египте, Месопотамии и Греции – 97009300 лет до нашей эры (Helback H., 1959; Жуковский П.М., 1964). Голозёрный же ячмень появился позднее пленчатого и центром его происхождения являются Восточная и Юго-восточная Азия, Китай и примыкающие к нему страны (Вавилов Н.И., 1965; Хар-лан Д.Р., 1973). При этом Н.И. Вавилов не считал вопрос о географической локализации первичного окультуривания дикорастущего ячменя решенным (Ходь-ков Л.Е., 1985).
Возможным центром происхождения голозёрного ячменя могут быть Гималаи (Bard A., 2000). Обособленность гималайских голозерных ячменей подтверждается в работах Murphy P.J., 1986; Dickin E., 2012.
В странах Центральной и Юго-Восточной Азии выращивают только голозёрный ячмень, В Японии, Корее и Китае в равной доле с пленчатым (Takaha-shi R., 1955).
За последние годы наиболее полно рассмотрены вопросы происхождения и распространения голозёрного ячменя в работе ученых Сибирского отделения РАСХН. Обобщены данные и российских и зарубежных исследователей. В итоге сделан вывод, что наиболее вероятным местом происхождения голозёрного ячме 9 ня является Юго-Западной Иран с дальнейшей миграцией в Афганистан, Пакистан, Юго-Восточную Азию, Китай, Корею и Японию (Железнов А.В., 2013).
В отношении места происхождения голозёрного ячменя существует еще одно представление (Taketa S., 2004). Авторы выдвинули предположение о том, что голозерный ячмень имеет монофилическое происхождение (все его образцы имели только аллель IV, а пленчатые – I, II, III). Отсюда возможно голозёрный ячмень мигрировал из юго-западного Ирана в Центральную Азию. Низкий уровень разнообразия гималайских голозерных ячменей объясняют влиянием генетического дрейфа (Manjunatha T., 2007).
Распространение голозёрного ячменя сдерживается по ряду причин, в том числе возможное снижение урожайности по сравнению с пленчатыми сортами. В условиях Канады оно составляет 12 % (Rossnagel B.G., 1981). Более контрастные данные приводились для условий лесостепи Новосибирского Приобья, где урожайность сорта Омский голозёрный 2 ниже пленчатого стандарта на 5,7 ц/га (Го-маско С.К., 2015).
В Северном Зауралье отмечено снижение урожайности зерна голозёрного сорта по сравнению с пленчатым в северной лесостепи на 2,6 ц/га, а в южной на 9 ц/га (Якубышина Л.И., 2014).
На Южном Урале отмечали пониженную продуктивность голозёрных сортов по сравнению с пленчатыми в среднем на 1520 % (Грязнов А.А, 2010). Подобную тенденцию приводили и для условий юга Украины (Кирдогло Е.К., 1982). Однако уже в конце восьмидесятых годов установлено, что разрыв между урожайностью голозёрного и пленчатого ячменя уменьшается.
По мере создания новых сортов голозёрного ячменя появились сообщения о выравнивании урожайности с пленчатыми сортами. Например, по голозёрному сорту Оскар и пленчатому стандарту Красноярский 80 получено по 3,2 т зерна с гектара (Сурин Н.А., 2011; Байкалова Л.П., 2016). Более того, у ряда линий голозёрного ячменя урожайность была выше на 12,114,8 %, чем у пленчатого стандарта Медикум 85 (Грязнов А.А., 1996). По результатам исследований в СибНИИСХ за 2001–2006 гг. урожайность зерна сорта Омский голозерный 2 превосходила показатели пленчатого сорта Омский 89 на 0,3 т/га, а с учетом отсутствия пленки и на 0,7 т/га (Аниськов Н.И., 2010).
Общепризнанным фактом является преимущество голозёрного ячменя над пленчатым по качеству зерна, прежде всего по содержанию белка (Oscarsson M., 1996; Atanassov P., 1999). В Омской области отмечено содержание белка 13,8 % в зерне Омского голозёрного 2 или больше, чем у Омского 89 на 1,3 % (Анись-ков Н.И., 2007). Кроме этого, сорта голозёрного ячменя превосходили пленчатые по содержанию крахмала и жира (Аниськов Н.И., 2007; Aniskov N.I., 2008).
При оценке голозёрного ячменя в производстве пищевых продуктов отмечается, что его зерно содержит 13,56 % протеинов при 9,09 % у пленчатого. Ниже показатели зольности на 0,6 % и содержания клетчатки на 0,4 %, при одинаковом содержании жира – 1,51–1,52 % (Янова М.А., 2012).
Для Челябинской области отмечено преимущество голозерного ячменя Ну-дум 95 над пленчатым Челябинский 99 по массе 1000 зерен на 4,5–5,9 г, содержанию сырого протеина на 3,9–5,5 % (Бидянов В.А., 2012).
Если говорить о строении зерновки ячменя, то следует отметить, что она состоит из нескольких основных, четко определенных анатомических частей: пленки (у голозёрных отсутствует), алейронового и субайлеронового слоев, зародыша и эндосперма (Кирдогло Е.К., 2013).
Интересен факт содержания в сухом веществе зерновки пленчатого ячменя 4–8 % -глюкана, а у голозёрного около 16 % (Перуанская О.Н., 1980; Newman R.K., 1989). Отсюда возможность использования голозёрного ячменя как возможного источника -глюканов для лечения гиперхолестеринемии (Berglung P.T., 1993). Отсюда утверждение, что одной из наиболее ценных в пищевом отношении фракций зерна ячменя являются -глюканаты (Conway J.M., 2006; Newman R.K., 2009).
В отношении места концентрации -глюканов в зерне ячменя считается, что около 70 % их в стенках клеток эндосперма. Кроме этого здесь и около 20 % ара 11 биноксиланов (Lusk L.T., 2001). При этом в алейроновом слое зерновки голозёрного ячменя и в зародыше содержится больше микроэлементов, чем в пшенице – железо, цинк, магний (Marconi E., 2000).
В состав клеточных стенок эндосперма ячменя входят (1,3; 1,4)––Д – глю-канаты, которые способствуют снижению уровня холестерина и сахара в крови, помогают снижению избыточного веса, укрепляют иммунную систему, обладают антимикробными свойствами (Behall K.M., 2004).
Для ячменя найдена сильная позитивная связь между содержанием –глю-канов и натурой зерна (Griffey C., 2010), а также с содержанием белка (Hang A., 2007; Сулина А.В., 2013).
Компанентами ячменного зерна являются стеролы, токотриенолы, флавоно-лы и фитофенолы, обладающие антиоксидантной, протекторной активностью против рака, сердечнососудистых заболеваний и артритов (Рибалка О. И., 2011).
При недостаточном увлажнении в южной лесостепи Западной Сибири интересно утверждение, что ячмень, как пленчатый, так и голозёрный чрезвычайно засухоустойчивая и непритязательная к почвенно-климатическим условиям культура, которая дает гарантированные урожаи даже в крайне засушливых регионах мира (Авдейчик О., 2009). Однако и в сельскохозяйственных зонах Тюменской области, характеризующихся хорошим увлажнением, отмечена биологическая устойчивость ячменя на меняющиеся условия среды (Боме Н.А., 2015).
Еще в 1948–1950 гг. рассматривалась возможность использования голозёрных сортов ячменя в Иркутской области (Сверкунов В.К., 1951).
При рассмотрении вопросов технологии возделывания следует учитывать не только исследования для голозерных форм, но и традиционных пленчатых сортов (Костылев А.В. 1972; Притчин Н.П., 1977; Практическое …, 1987; Чусов С.В., 1989; Мощенко Ю.Б., 1993; Алимов К.Г., 1997; Полевые …, 2003; Василевский В.Д., 2009; Агротехнология …, 2012; Юшкевич Л.В., 2012, 2013; Титова Е.М., 2012; Галеев Р.Р., 2017; Байкалова Л.П., 2018 и других авторов).
Засоренность посевов голозёрного ячменя
Наблюдения за флористическим составом сорных растений в Западной Сибири, в частности Омской области, показали, что обнаружено около 300 видов. Хотя набор наиболее широко встречающихся сорняков значительно меньше (Плотников Н.А., 1972; Милащенко Н.З., 1978; Ионин П.Ф., 1992; Кравченко В.Н., 2000). При этом в Западно-Сибирском регионе засорено в средней и сильной степени только корнеотпрысковыми сорняками более 6 млн.га, овсюгом – более 3 и просовидными – более 4,7 млн.га (Земледелие …, 2003).
В наших опытах тип засорения малолетний позднеяровой с преобладанием щирицы запрокинутой, проса сорного и куриного. Реже встречались из ранних яровых: марь белая, сурепка полевая и гречишка вьюнковая; из зимующих: пастушья сумка и аистник щикутовый; из корнеотпрысковых: вьюнок полевой и бодяк щетинистый.
Реакция сорных растений на отдельные элементы технологии возделывания голозёрного ячменя в значительной степени зависела от погодных условий конкретных лет исследований. Так, при благоприятном увлажнении 2011 и 2013 гг., наибольшее количество сорняков формировалось при первом сроке посева – 317,4–391,7 шт/м2 и норме высева 3,5 млн. всхожих зерен на гектар. Увеличение числа высеянных семян до 5,5 млн./га приводило к уменьшению количества сорняков до 174,4–188,9 шт/м2, но оставалось слишком высоким (Таблица 13).
Решающую роль в снижении засоренности эти годы играло перенесение посева на начало июня, что позволило уничтожить основные всходы сорняков предпосевной обработкой почвы. В результате к уборке урожая их оставалось 34,6130,3 шт/м2 (2011 г.) и 3,7–27,7 шт./м2 (2013 г.). Противоположная картина наблюдалась в острозасушливом 2012 г., ко-гда основная масса всходов сорняков появлялась одновременно с культурой на позднем сроке посева и к уборке урожая составляла 146,7–243,7 шт/м2.
В 2014 г. уровень засорения посевов был минимальным за годы опытов и слабо реагировал на сроки посева.
Решающую роль в снижении числа сорных растений играло примене-ние баковой смеси дикотицида и граминицида. В среднем за 4 года на 1 м2 оставалось 26,9 шт. сорняков (Рисунок 3). Уменьшение засоренности посевов по числу сорняков составляло 77,6%. На фоне азотного удобрения эффектив-ность гербицидов снижалась до 57,3 %.
При сравнении сроков посева ячменя четко просматривается тенденция уменьшения числа сорняков от первой к последней дате. Так на втором сро-ке снижение составило 26,9 %, а на третьем – 55,1 %.
Подобные изменения отмечались и по мере увеличения нормы высева. Рост с 3,5 до 4,5 млн. всхожих зерен на гектар сопровождался уменьшением числа сорняков на 21,4 шт/м2 или на 24,7 %, а до 5,5 млн./га – на 40,1 шт/м2 или 53,6 %.
Основной вклад в изменение количества сорняков в посевах голозёрно-го ячменя вносил фон химизации – 74,7 %. Сроки посева и нормы высева играли меньшую роль (Рисунок 4).
Влияние отдельных приемов технологии возделывания голозёрного ячменя на засоренность посевов сохраняет рассмотренную направленность и по массе сорных растений (Таблица 14). При этом ежегодно, несмотря на су-щественные различия погодных условий, на первом сроке посева формиро-валась высокая масса сорняков, особенно на меньшей норме высева – 275,0– 371,3 г/м2. При посеве 25–28 мая наиболее мощное развитие массы сорняков отмечалось при благоприятном увлажнении 2011 и 2013 гг. На июньских же сроках посева это было характерно для засушливого 2012 г.
Сравнивая формирование массы сорняков по фонам химизации, естественно максимальной величины она достигала на контрольных делянках. В среднем за четыре года это 210,3 г/м2 (Рисунок 5). Применение гербицидов снижало этот показатель до 48,3 г/м2 или на 77,0 %. На фоне же азотного удобрения вновь отмечалось снижение эффективности гербицидов до 53,6 %.
При рассмотрении сроков посева, следует отметить сохранение тен-денции уменьшения массы сорняков на более поздних посевах. Однако, сни-жение менее значимо, чем по числу сорных растений. На июньских посевах оно составляло 38,6 %, что меньше, чем по числу сорняков на 16,5 %. На по-севах 25–28 мая масса сорных растений снижалась, по сравнению с первым сроком, всего на 12,5 %, что меньше в 2 раза, чем по числу сорняков.
Сохранилась тенденция снижения массы сорняков по мере увеличения нормы высева. Так, если при 3,5 млн./га масса сорняков составила 153,6 г/м2, то при 4,5 млн./га – 115,1 г/м2, что меньше на 25,1 %, а при 5,5 млн./га При характеристике изменений массы растений ячменя в зависимости от срока посева, следует отметить, что в среднем по всем фонам химизации и нормам высева, слабее развивались растения при посеве 25–28 мая – 792 г/м2. При более раннем посеве масса культурных растений увеличивалась на 31 г/м2, а при позднем на 176 г/м2.
Менее значимы различия по массе растений ячменя в зависимости от нормы высева. В среднем по всем фонам химизации и срокам посева опти-мальной нормой высева оказалась 4,5 млн. всхожих зерен на гектар. На 1 м2 формировалось 923 г/м2 растений ячменя. Близкие результаты и при высеве 5,5 млн./га – 922 г/м2. Только при снижении нормы до 3,5 млн./га отмечалось ослабление в формировании массы ячменя до 845 г/м2.
Доля фона химизации в формировании массы растений голозёрного ячменя составила 63,1 %. На второй позиции срок посева, его вклад достиг 29,9 %, а нормы высева только 7,0 % (Рисунок 8). Хотя следует отметить, что количество культурных растений к уборке урожая на 59,8 % зависело от нормы высева.
Урожайность зерна и структура урожая голозёрного ячменя
Комплекс факторов, влияющих на изменения водного и питательного режимов почвы, ее биологической активности, засоренности посевов естественно отражался на величине урожайности зерна голозёрного ячменя. Свою лепту в это вносили и погодные условия конкретных лет.
При более благоприятном соотношении количества выпадающих осадков и температуры воздуха в 2013 г., средняя урожайность зерна голозёрного ячменя в опыте превысила 3 т/га (Таблица 27) (Приложение К, Л, М, Н). В засушливых условиях 2012 г. получено 1,95 т/га. Остальные годы этот показатель составлял 2,42–2,45 т/га.
В аналогичных условиях следует отметить более жесткую реакцию на недостаток влаги у голозёрного овса, когда в 2012 г. получено зерна всего 0,97 т/га (Гладких М.С., 2018). Для южной лесостепи Тюменской области в зернопаровых севооборотах урожайность зерна ячменя идущего третьей культурой после чистого пара в среднем за 1974–1979 гг. превосходила овес на 0,8 т/га (Рендов Н.А., 2008).
На естественном фоне без применения средств химизации, в среднем по всем годам, срокам посева и нормам высева, урожайность зерна ячменя составила 2,06 т/га (Рисунок 18).
Применение баковой смеси гербицидов обеспечило прибавку в 0,54 т зерна с 1 га, а на фоне азотного удобрения – 0,75 т.
Влияние сроков посева ячменя на урожайность зерна менее выражено.
Если в среднем по всем фонам химизации и нормам высева на посевах во второй декаде мая получено 2,55 т зерна с 1 га, то в третьей декаде мая – немногим меньше – 2,53 т/га. Только на июньских посевах урожайность зер-на снижалась более заметно – 2,39 т/га.
Среди использованных норм высева более высокие показатели уро-жайности зерна при высеве 4,5 млн. всхожих зерен на гектар. В среднем по всем фонам химизации и срокам посева получено 2,56 т/га. Немногим отли-чалась урожайность при высеве 5,5 млн./га – 2,54 т/га, но с учетом большего расхода семян, этот вариант не имеет перспективы. Снижение высева до 3,5 млн./га приводило к уменьшению урожайности зерна до 2,37 т/га.
Рассматривая вклад различных факторов в изменение урожайности зерна ячменя, следует выделить роль фона химизации – 89,3 %, значительно слабее влияние нормы высева – 6,2 % и срока посева – 4,5 % (Рисунок 19).
На фоне применения гербицидов при посеве во второй декаде мая по-лучено, в среднем по всем нормам высева, 2,74 т зерна с 1 га. На следующих сроках уровень урожайности ниже на 0,21 т/га. Сохраняется преимущество по всем срокам посева за высевом 4,5 млн./га.
При сочетании азотного удобрения и гербицидов получены близкие ре-зультаты урожайности зерна при майских сроках посева – 2,83–2,88 т/га. Только на посевах первой декады июня наметилось снижение сбора зерна до 2,73 т/га, хотя это не исключает возможности его использования.
В структуре урожая решающую роль играло число продуктивных стеблей голозёрного ячменя (Таблица 28).
Прежде всего, необходимо отметить влияние на рассматриваемый показатель условий конкретных лет. Наиболее благоприятным был 2013 г. На 1 м2 в среднем сформировалось 320 продуктивных стеблей. В засушливых условиях 2012 г. их насчитывалось 234 шт.
При рассмотрении усредненных данных по фонам химизации, следует отметить положительное влияние обработки посевов баковой смесью гербицидов. Число продуктивных стеблей возрастало на 50 шт/м2, а с применением еще и удобрений – на 57 шт/м2 (Рисунок 20).
Среди испытываемых сроков посева, максимальное число продуктив-ных стеблей формировалось при посеве во второй декаде мая – 272 шт/м2, а минимальное на июньском посеве – 256 шт/м2.
По мере увеличения нормы высева с 3,5 до 5,5 млн./га, число продук-тивных стеблей возрастало с 254 до 270 шт/м2.
При оценке вклада каждого фактора в опыте следует отдать предпочте-ние фону химизации – 87,3%, затем норме высева – 6,4 % и сроку посева – 6,3 % (Рисунок 21).
Погодные условия сказались и на массе зерна в каждом колосе. Вновь более высокие показатели в благоприятном 2013 г. – 1,36 г. Засуха 2012 г. приводила к резкому его снижению – 0,91 г. (Таблица 29).
По усредненным показателям в опыте за 4 года исследований на фоне без применения средств химизации в одном колосе сформировалось 1,16 г. зерна (Рисунок 22). Наибольшее влияние на увеличение массы зерна в колосе оказало сочетание применения удобрений и гербицидов. Получено дополни-тельно 0,07 г.
Биоэнергетическая эффективность
В условиях нестабильного ценообразования все чаще прибегают к использованию показателей продуктивности в энергетических эквивалентах (Коринец В.В., 1990; Неклюдов А.Ф., 1993; Абрамов Н.В., 1998, 2001).
В агрофитоценозах лесостепи Западной Сибири фотосинтетически активная радиация (ФАР) в энергетическом балансе агрофитоценозов составляет 10341 МДж (Черникова М.И., 1980). Увеличение урожайности сельскохозяйственных культур будет сопровождаться увеличением затрат невозобнов-ляемой энергии на удобрение, пестициды, топливо, технику, семена и т.п. (Коринец В.В., 1990).
Сообразно полученной урожайности зерна голозёрного ячменя был проведен расчет по каждому варианту выхода валовой энергии, затрат совокупной энергии, энергетического потенциала и приращения валовой энергии (Таблица 45).
Скомпоновав результаты по отдельным факторам мы попытались оценить их влияние на биоэнергетическую эффективность технологии возделывания голозерного ячменя.
Сравнивая выход валовой энергии по фонам химизации, в среднем по всем срокам посева и нормам высева, отмечаем рост этого показателя по мере увеличения урожайности зерна от применения гербицидов на 8551 МДж/га (Таблица 46). При комплексном их использовании с удобрением увеличение достигает 11960 МДж/га.
Оценивая сроки посева следует отметить снижение выхода валовой энергии от первого к третьему сроку – с 40580 до 38019 Мдж/га. Среди изучаемых норм высева оптимальный выход валовой энергии отмечаем от 4,5 млн./га – 40633 МДж/га. Как уменьшение, так и увеличение нормы высева приводили к снижению рассматриваемого показателя.
Усиление фона химизации естественно приводило к росту затрат совокупной энергии с 8533 до 14123 МДж/га. Подобное нарастание затрат наблюдалось и по мере увеличения нормы высева. Менее выражено влияние сроков посева.
Приращение валовой энергии, как разницы между её выходом и затратами, достигало максимума на фоне применения гербицидов – 32363 МДж/га. Здесь и наиболее высокий энергетический коэффициент – 4,62.
При посеве во второй декаде мая отмечались более высокие показатели приращения валовой энергии (30031 МДж/га) и энергетического коэффициента – 3,85. По мере оттягивания срока посева они снижались.
Среди исследуемых норм высева выше приращения валовой энергии при 4,5 млн./га – 30083 МДж/га. Однако, энергетический коэффициент, по мере увеличения затрат совокупной энергии, снижается, особенно заметно при высеве 5,5 млн./га.
По биоэнергетической, как и экономической эффективности, оптимальным вариантом выделился посев голозёрного ячменя во второй декаде мая нормой 4,5 млн./га на фоне применения гербицидов. На этом варианте максимальные показатели приращения валовой энергии (36309 МДж/га) и энергетического коэффициента (5,03).