Харченко О.В. Основи програмування врожаїв сільськогосподарських культур

Подождите немного. Документ загружается.

НАУКОВІ ОСНОВИ ПРОГРАМУВАН-

НЯ ВРОЖАЮ

1.1. ОСНОВНІ ФАКТОРИ РОСТУ І РОЗВИТКУ

РОСЛИН

Основними факторами, що визначають життєдіяльність

рослинного організму і його продуктивність, є світло, тепло,

вода, повітря та мінеральне живлення.

Світло - частина сонячої радіації (близько-45%) з дов-

жиною хвилі 380-750 нм, що сприймається як видиме світло

і поглинається хлорофілом та бере участь у фотосинтезі. Звідси

пішла і назва - «фотосинтетична активна радіація», або ФАР.

За К.А. Тимірязєвим [88], межі продуктивності куль-

тури визначаються кількістю сонячної енергії, яку отримує

рослина. При цьому якщо кількість сонячної радіації, що

поступає на Землю, змінити неможливо, то кількість вико-

ристаної рослиною енергії можна збільшити і досить істотно.

Це досягається регулюванням світлового режиму посіву, а

також впливом на інші фактори життя рослини за допомо-

гою комплексу технологічних, агромеліоративних, агрохі-

мічних та інших заходів. Досить вагомим фактором у цьому

напрямі є цілеспрямована зміна біологічних особливостей

культури через створення нових її сортів.

В існуючому сільськогосподарському виробництві для

формування врожаю використовується тільки 0,7-2,0% ФАР.

При цьому коефіцієнт використання ФАР у звичайних ви-

робничих умовах складає: озимої пшениці - 0,74-1,12%, ку-

курудзи на зерно - 0,69-1,63%, кукурудзи на зелений корм

- 1,23-1,47%, цукрового буряку - 1,34-1,84% [57].

Згідно з A.A. Ничипоровичем, середнє значення коефі-

цієнта використання ФАР становить: у звичайних виробни-

чих умовах - 0,5-1,5%, у сприятливих - 1,0-3,0%, у рекор-

дних - 3,5-5,0% і в теоретично можливих - 6,0-8,0% [52].

Таким чином, коефіцієнт використання ФАР рослина-

ми є інтегральним показником впливу всіх інших факторів

на продуктивність культури, тому що будь-яке підвищення

врожаю веде до збільшення її використання.

Тепло. Частина сонячної радіації, яка поглинається на

Землі ґрунтом, рослинами, поверхнею води, геологічними

породами, атмосферою та іншими тілами, які характеризу-

ються різними можливостями поглинати, утримувати, пере-

давати та випромінювати тепло, визначає тепловий режим

ландшафту.

Фізіологічні та біохімічні процеси, які проходять у рос-

линному організмі, можливі тільки в чітко визначеному і до-

сить вузькому діапазоні температур. Для проростання насіння

і одержання сходів необхідна плюсова температура становить

від 0-ГС (конопля, люцерна, конюшина) до 14-18°С (рис,

арахіс, бавовник) [57]. За даними Ю.А. Злобіна [31], в усіх

зелених рослинах підвищення температури від 0°С до 15°С

веде до помітного збільшення швидкості росту, при 15°С-30°С

вона майже постійна, а при температурі, більшій за 30°С,

швидкість росту знижується. Для повного розвитку рослин

визначена сума активних (більше 10°С) температур. Для

більшості рослин ця величина складає 2000-4000°С, у тому

числі: для озимої пшениці - 1200-2000°С; для озимого жита

- 1700-2125°С; вівса - 1940-2310°С; картоплі - 1200-2000°С;

цукрового буряку - 2400-3700°С; рису - 3000-4500°С; соняш-

нику - 2300-2400°С; льону - 1500-1700°С.

Кожна рослина має свій тепловий мінімум, оптимум та

максимум. Мінімальні температури - це найнижчі темпера-

тури, за яких починаються життєві процеси в рослині;

оптимальні температури визначають найбільшу їх інтен-

сивність; максимальні - це такі температури, вище яких

ріст і розвиток рослин припиняється. Вимоги рослин до тем-

пературного режиму змінюються залежно від їх виду, сорту

та фази розвитку.

Вода. Для рослин вода має дуже важливе значення.

Цитоплазма на 85-90% складається з води. Без води не

відбуваються біохімічні процеси, прапиняється життєдія-

льність рослинного організму.

Вода необхідна рослині в усі періоди життя; при цьому

якщо для проростання необхідність води складає 30-100% від

маси насіння, то для утворення 1г сухої речовини її необхідно

200-1000 г. [17]. Кількість води (г), що витрачається на

створення рослинами 1 г сухої речовини, називають

коефіцієнтом транспірації, величина його коливається від 200-

300 (просо) до 800-900 і більше (конюшина, рис, льон, лю-

церна) [17]. При цьому тільки близько 5% цієї води бере

участь у процесі фотосинтезу і створенні органічної речови-

ни, а вся інша - йде на транспірацію.

Потреба рослин у воді залежить від ряду умов:

біологічних особливостей самої культури, ґрунту, погоди,

рівня живлення, агротехнічних та меліоративних заходів.

Культури можуть використовувати воду атмосферних

опадів, ґрунтові та зрошувальні води. Зрозуміло, що

найбільше значення мають атмосферні опади, які разом з

температурними умовами дозволяють характеризувати ту чи

іншу зону з точки зору як можливого ресурсозабезпеченого

врожаю, так і можливості вирощування культури взагалі.

Практично всю воду рослини поглинають з ґрунту, при

цьому різні культури потребують різного рівня вологості.

Оптимальна вологість ґрунтів знаходиться між W і W .

П • /тіт ч .

та

* ,

За верхню межу ВОЛОГОСТІ ^

шах

) для більшості ґрунтів (крім

дуже важких за механічним складом) приймається наймен-

ша або гранично-польова (НВ або ГПВ). Нижня межа опти-

мальної вологості виражається в частках чи відсотках від

максимальної і залежить як від культури, так і від

механічного складу ґрунту.

Таблиця 1.1

Мінімальна допустима вологість активного шару ґрунту,

% від НВ [81]

Культура

Ґрунти

важкі

легкі

Багаторічні трави

70-75

65-70

Зернові

65-70

60-65

Кукурудза

65-70

60-65

Корнеплоди

70-75

65-75

Картопля

65-75

60-70

Овочі

75-80

70-75

Плодово-ягідні

70-80

60-70

На слабозасолених ґрунтах нижня межа вологості прий-

мається на 5% вищою, що дозволяє не допускати

концентрацію ґрунтового розчину вище критичної межі [68].

Воду, що знаходиться в ґрунті, можна розділити на дві

групи: недоступна та доступна для рослин. Нижню межу до-

ступної вологи називають вологістю стійкого зав'ядання (ВЗ),

а різницю між фактичним запасом вологи в ґрунті (ФВ) та

(ВЗ) - продуктивною вологою (ПВ = ФВ - ВЗ).

Найбільш сприятлива для рослин форма вологи в ґрунті

є капілярна, яку поділяють на капілярно-підвішену та

капілярно-підперту. Максимальну кількість капілярно-

підвішеної вологи називають найменшою (НВ), або гранич-

но-польовою (ГПВ) вологоємкістю; а капілярно-підпертої -

капілярною вологоємкістю (КВ).

Доступною для рослин є також гравітаційна вода, яка

займає крупні некапілярні пори в ґрунті, витісняючи тим

самим повітря. З одного боку, наявність цієї води є коротко-

часною (1 доба на легких ґрунтах і 3-4 на середніх [58]) і її,

як правило, не беруть до розрахунків водозабезпечення рос-

лин. З іншого боку, ця вода, особливо на важких за

механічним складом ґрунтах, може бути причиною недостат-

ньої аерації ґрунту, отже, істотного впливу на такий фактор

росту, як повітря.

Повітря. Значення повітря в ґрунті визначається перш

за все вмістом у ньому кисню (21%), необхідного для дихан-

ня, тобто біологічного окислення органічних сполук. Крім

того, ґрунтове повітря істотно впливає на інтенсивність та

напрямок мікробіологічних та ферментативних процесів, які

в свою чергу значною мірою визначають режим живлення.

Зрозуміло, що водний і повітряний режими ґрунту

взємопов'язані, тому під оптимальним водним режимом слід

розуміти оптимальний водно-повітряний режим.'

Живлення. Відомо, що управління режимом живлення

можливе як безпосереднє (внесення мінеральних та

органічних добрив), так і опосередковане (хімічна меліорація,

створення взаємопов'язаних умов теплового, водного,

повітряного, а звідси - і мікробіологічного та ферментатив-

ного режимів).

Незважаючи на складність кореневого живлення, цей

фактор піддається нескладному регулюванню шляхом вне-

сення добрив. Кількість елементів, яка необхідна для нор-

мального росту та розвитку рослин, визначається, як прави-

ло, за їх вмістом у врожаї. Зрозуміло, що визначення

необхідного рівня мінерального живлення повинне ґрунтува-

тись на всебічній оцінці взаємозв'язку ґрунту, рослин і доб-

рив з урахуванням особливостей технології вирощування та

погодних умов.

1.2. ОСНОВНІ ЗАКОНИ ЗЕМЛЕРОБСТВА

Ріст та розвиток рослин, формування врожаю та

еволюція родючості ґрунтів відбуваються відповідно до законів

землеробства, якими обумовлена дія екологічних факторів.

Дослідження вчених різних спеціальностей, таких, як

Ю. Лібіх, В. Вільямс, Е. Мітчерліх, В. Вернадський, Ю. Сакс,

Ю. Лібшер, Д. Прянішніков, М. Павлов та інших, дозволи-

ли сформулювати найважливіші з них.

1. Закон незамінності та рівнозначності факторів

Відповідно до цього закону для нормального росту та

розвитку рослин необхідна одночасна та сукупна дія всіх

без винятку умов, або факторів життя. При цьому нестача

одного з них ніяк не може бути замінена або компенсована

будь-яким іншим.

2. Закон мінімуму, або закон лімітуючого фактора

Суть цього закону полягає в тому, що розвиток рослин

і рівень врожайності будь-якої культури визначається фак-

торами, які знаходяться в мінімальній або максимальній

кількості, а також іншими обмежуючими причинами (хво-

роби, шкідники, забур'яненість і т. п.). У міру поліпшення

забезпеченості рослин обмежуючими факторами їх

продуктивність зростатиме, доки в мінімумі не виявиться

інший фактор.

3. Закон мінімуму, оптимуму та максимуму

Згідно з цим законом кожний фактор характеризуєть-

ся мінімальним, максимальним та оптимальним значенням.

Мінімальне визначає найменшу кількість фактора, яка за-

безпечує ріст та розвиток рослин; максимальне - найбільше,

вище якого рослина гине; оптимальне забезпечує інтенсивний

ріст та розвиток. При цьому мінімум і максимум - це дві

«порогові» точки дії фактора, які відповідають найгіршим

умовам розвитку рослин. Зону між цими значеннями нази-

вають екологічною валентністю живого організму.

4. Закон сукупної дії або взаємодії факторів

Згідно з цим законом для одержання високих врожаїв

і їх постійного зростання слід забезпечити рослини всіма

необхідними факторами життя в оптимальних співвід-

ношеннях. Реакція культури на будь-який із факторів зале-

жить від забезпеченості її іншими факторами, тобто мінімум,

оптимум та максимум для будь-якого фактора життя рос-

лин не можуть бути постійними.

5. Закон повернення поживних речовин у ґрунт

Суть його полягає в тому, що всі речовини, використані

рослинами на утворення врожаю, втрачені в процесі ерозії,

вимивання і т. п., за допомогою добрив чи відповідних

агрозаходів мають бути повернені в ґрунт. Це дозволяє не

тільки підтримувати продуктивність культури на постійному

рівні, але й запобігати виснаженню та деградації ґрунтів.

6. Закон плодозмін

В основі цього закону лежить загальнобіологічний за-

кон єдності і взаємозв'язку рослинних організмів та умов

навколишнього середовища. Необхідність періодичної зміни

різних культур у посівах (не завжди щорічно) зумовлюється

не лише різним виснаженням ґрунтів на поживні елементи

та неоднаковим розміщенням кореневих та поживних

залишків, але і неоднаковою зміною водно-фізичних влас-

тивостей ґрунту. Крім того, при беззмінному вирощуванні

культурні рослини вражаються характерними хворобами та

шкідниками, пригнічуються специфічними бур'янами, що

веде до істотного зниження врожаю.

Слід зазначити, що .різні культури по-різному реагу-

ють на беззмінні посіви. Так* наприклад, цукровий буряк,

соняшник, льон не можна вирощувати два роки поспіль на

одному полі, а такі, як кукурудза, картопля, конопля, непо-

гано переносять ці умови [27].

Звичайно, представлені закони є основними, крім них

існують і інші: закон позитивного ефекту в природному

ґрунтоутворювальному процесі, закон автотрофності зелених

рослин, закон фотосинтетичної активності тощо.

Наукове розуміння та практичне використання основ-

них законів землеробства в процесі програмування врожаїв

дозволить, з одного боку, одержати обґрунтовані й надійні

дані, а з іншого - обґрунтовано зменшити навантаження на

умови формування запрограмованого врожаю.

1.3. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОГРАМУВАННЯ

ВРОЖАЮ

Кількісна оцінка впливу регульованого фактора, і перш

за все рівня живлення, на продуктивність культури відома

досить давно. Е. Рассел [71] вважає, що Е. Мітчерліх (1948)

і Б. Балує (1948) були одними з перших, хто встановив мате-

матичну залежність між продуктивністю культури і кількістю

необхідних поживних речовин.

При цьому в загальному випадку ця залежність вира-

жається як [9, 81]

у,=у

а-іог-) іог-ч

ал)

де У - максимальний урожай при оптимальному

значенні фактора X (X = Х

ор(

);

У - урожай при рівні живлення X.;

с - емпіричний коефіцієнт позитивної дії фактора;

к - емпіричний коефіцієнт токсичної (інгибуючої) дії фак-

тора.

Це повною мірою обґрунтовує загально відоме твер-

дження, що вплив регульованого фактора на продуктивність

культури виражається одновершинною кривою типу пара-

боли чи полінома (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Характер впливу регульованого фактора (Ф)

на урожайність культури (У)

У цьому випадку виділяють три характерні зони впли-

ву: лімітуючу, стаціонарну та інгібуючу [23]. Зрозуміло, що

регулювання фактора полягає у створенні умов стаціонарної

зони з переходом як з лімітуючої (зрошення, живлення), так

і з інгібуючої (осушення, вапнування) зон.

Те, що регулювання мінерального живлення проводить-

ся шляхом безпосереднього внесення добрив, пояснює досить

часту підміну поняття програмування встановленням необхід-

них доз добрив. Однак зрозуміло, що нестача будь-якого

іншого фактора (нестача або надлишок вологи, підвищена

кислотність чи лужність ґрунтів, забур'яненість чи враженість

стаціонарна

зона

інгібуюча

посівів хворобами або шкідниками) може істотно вплинути

на величину врожаю, під яку були внесені добрива. Більш

того, наприклад, при істотній нестачі вологи в ґрунті

підвищені дози добрив можуть навіть підсилити негативний

вплив водного фактора [57].

Таким чином, програмування врожаю є досить склад-

ним і багатогранним процесом, який вимагає комплексного

врахування факторів і умов розвитку рослин.

І.С. Шатілов [124] виділив десять принципів програму-

вання, які тією чи іншою мірою мають враховуватися при

вирішенні даної проблеми. Зазначені принципи включають виз-

начення врожайності за приходом ФАР, біокліматичними по-

казниками, вологозабезпеченістю, фотосинтетичним потенціалом

посіву, потенціальними можливостями культури (сорту), за-

безпеченістю та ефективним використанням добрив з одночас-

ним підвищенням родючості ґрунтів. Важливе місце серед зап-

ропонованих принципів має розробка комплексу агротехнічних

заходів, більш ефективне використання меліоративних прийомів,

сортової агротехніки, застосування агротехнічних, біологічних

та хімічних засобів захисту рослин.

A.A. Собко, С.Д. Лисогоров, В.А. Ушкаренко [68]

виділяють такі епапи програмування врожаю:

• проведення багаторічного комплексного наукового

пошуку з метою визначення основних лімітуючих факторів у

даних умовах та їх впливу на врожайність культури шляхом

проведення багатофакторних польових дослідів;

• розробка наукових основ технологій вирощування

сільськогосподарських культур з урахуванням запрограмо-

ваної врожайності;

• обов'язкове, своєчасне та якісне проведення комп-

лексу заходів, передбачених технологічною картою з ураху-

ванням погодних умов;

• контроль за ростом і розвитком рослин та коригуван-

ня продукційного процесу.

На останньому етапі проводять спостереження за ходом

формування врожаю за чотирма фазами розвитку рослин (по-

чаткова, або лаг-фаза; фаза прискореного росту, або лог-фаза;

фаза уповільненого росту та стаціонарна фаза), які виражають-

ся інтегральною кривою нагромадження (рис. 1.2). Математич-

на інтерпретація цієї кривої може бути виражена як [9, 68]

1 + 10"

(1,2)

де У - кількість біомаси в поточний період часу;

А - максимальне значення біомаси;

а,Ь- емпіричні коефіцієнти, які знаходять методом най-

менших квадратів, вибраних точок тощо;

х - показник часу, який представляє собою кількість днів

від появи сходів, або температурний індекс.

За одиницю температурного індексу рекомендується при-

ймати період з сумою температур 100°С.

Таким чином, кожному рівню врожаю відповідає

інтегральна крива зі своїми параметрами (А, а,- Ь).

Зрозуміло, що найбільш відповідальною фазою розвит-

ку культури є фаза прискореного росту (лог-фаза). Вважаєть-

ся, що відхилення фактичного ходу приросту біомаси більш

ніж на 10% від запрограмованого викликає необхідність опе-

ративного втручання з метою встановлення лімітуючого фак-

тора та його регулювання [68].

Для оперативного управління розвитком рослин при ви-

рощуванні запрограмованого врожаю використовують ЕОМ,

для чого складають 3 програми: прогностичну, оперативно-

поточну та коригуючу [56]. У прогностичну програму закла-

дають параметри моделі запланованого наростання біомаси

(рис. 1.2). За допомогою оперативно-поточної програми кон-

тролюють фактичний хід приросту біомаси. При відхиленні

більш ніж на 10% даних цієї програми від даних прогнос-

тичної вводять у дію коригуючу програму.

400 —у

У, г/рос.

201

<• •

4 X

уруози (Л = г/о г; а « и - " "" "" •»/--/

1 - лаг-фаза; 2 - лаг-фаза; 3 - фаза уповільненого росту;

4 - стаціонарна фаза

тією чи іншою мірою враховується рівень агротехніки, меха-

нізації, хімізації, розвитку меліорації, матеріально-технічно-

го забезпечення, з одного боку, і потреби населення в про-

дуктах харчування, а промисловості в сировині - з іншого.

Планування складається із довгострокових (пов'язаних з

перспективами розвитку), поточних (процеси, які стосують-

ся одного року) та оперативних (таких, що реалізуються на

кожному етапі розвитку культури) завдань.

Прогнозування - це науково обґрунтоване передбачен-

ня продуктивності сільськогосподарських культур на рік,

ряд років чи перспективу. При цьому прямо чи опосередко-

вано в тій чи іншій мірі враховується забезпеченість основ-

ними засобами виробництва та ресурсами основних факторів

росту. Основою для його складання є багаторічні дані після

їх кореляційного і регресійного аналізу. Як правило, про-

гнозні залежності подаються у вигляді виробничих функцій

типу:

У = А + В

+ В

+ В.Х., (1.3)

де А- вільний член рівняння;

..Х, - фактори, які впливають на урожайність культури;

..В. - коефіцієнти регресії, які показують ефективність

впливу відповідного фактора.

Найчастіше за все основними факторами, які врахо-

вуються при прогнозуванні врожайності виробничими фун-

кціями, є природна родючість ґрунтів, кількість внесених

добрив, забезпеченість основними фондами [16].

У випадку, коли показниками в таких залежностях є

забезпеченість основними факторами росту і розвитку рослин

(волога, живлення і т. п.), ці функції відповідною мірою не-

суть змістовне навантаження програмування (див. розділ 9.6).

Існують і досить широко використовуються в агро-

номічній практиці так звані агрометеорологічні прогнози,

які досить детально описані в розділі 10.

Серед наведених визначень слід окремо розглядати таке

явище, як моделювання врожайності. Складність і багато-

функціональність існуючих типів моделей і підходів до їх

створення вимагає окремого розгляду даної проблеми [83].

В загальному випадку під моделюванням розуміють

встановлення кількісного впливу одного або кількох фак-

торів на урожайність культури, що виражається математич-

ною залежністю або моделлю. При цьому тільки наявність

тієї чи іншої моделі дозволяє проводити як планування і