Изменение КПД ФАР сортов гороха полевого в период селекции с 1920-х до 2000-х годов

Введение. Фотосинтетическая деятельность сельскохозяйственных культур интересует исследователей с момента открытия процесса фотосинтеза [1,2,3]. А в последние полвека большое внимание уделяется эффективности использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) фотоассимиляционной системой растений и накоплением поглощенной энергии солнца в урожае сельскохозяйственных культур [1,4,5].

В практике сельскохозяйственного производства коэффициент полезного действия (КПД) ФАР у большинства возделываемых культур составляет 1-2 % [6]. А в современном интенсивном растениеводстве сорта выращиваемых культур могут использовать ФАР с КПД 2-3 % [7,8,9]. У растений гороха КПД ФАР составляет от 0,70 до 0,90 % [10]. При этом теоретический максимум может достигать 4-5 % для растений с С3 путем фотосинтеза и 6 % для растений с С4 путем фотосинтеза [1,2].

Современные исследователи отмечают, что повышение эффективности использования света при фотосинтезе растительного покрова и эффективности преобразования энергии в сухое вещество может в настоящее время, является основным вариантом повышения потенциальной урожайности перспективных сортов сельскохозяйственных культур [4,5,11]. И учитывая, что КПД ФАР в целом отражает суммарную эффективность работы фотосинтетического аппарата растений [1,2], и позволяет комплексно оценить его эффективность у перспективных генотипов, нами была проведена оценка генотипов гороха полевого по эффективности использования ФАР сортами гороха полевого.

Цель исследований : изучить эффективность работы фотосинтетического аппарата у культуры гороха полевого Pisum sativum arvense L. за период селекции с 1920-х до 2000-х годов.

Условия, материалы и методы. Исследования были выполнены в рамках тематического плана кафедры земледелия, селекции и растениеводства ФГБОУ ВО Орловского ГАУ и ФГБНУ ФНЦ ЗБК.

Объектами исследований являлись 11 сортообразцов, из которых 9 – гороха полевого (пелюшки): селекции 1920-1950 гг.: К-1691, Фаленская 42; селекции 1970-1980 гг.: Надежда, СЗМ-85, Малиновка; селекции 1990-2000 гг.: Зарянка, Алла, Наташа, 98-393 и 2 - посевного селекции 1990-2000 гг.: Орловчанин (St), Норд (St).

Опытный материал выращивали в условиях полевого опыта на делянках, площадью 7,5 м2 в 4-х кратной повторности при норме высева 1,2 млн. шт./га. Размещение делянок – рендомизированное.

Накопления сухого вещества по органам растения – методом взятия растительных проб в количестве 5-10 растений с каждой делянки сорта с последующим высушиванием сырой массы органов до абсолютного сухого веса при температуре 105 оС в сушильном шкафе марки КВС G - 100/250. Учет еженедельный, повторность 3-х кратная

Время наступления фенологических фаз роста и продолжительность межфазных периодов развития по Л.Б. Наймарку (1976).

Коэффициент полезного действия фотосинтетически активной радиации (КПД ФАР) определяли по методикам предложенным А.А. Ничипоровичем (1982).

Дисперсионный и корреляционный анализы экспериментальных данных проводили на компьютерных программах, по «Методике полевого опыта» по Доспехову Б.А., (1985).

Погодные условия во время проведения исследования по вегетации растений существенно различались, что позволило оценить сорта и генотипы гороха в типично засушливых условиях, когда в период и вегетативного и генеративного рост растений, количество осадков выпало в 2 раза меньше в мае-июне, и в 5 раз меньше средней многолетней нормы в 2 и 3 декаде июля, при температуре близкой к среднемноголетней. И в условиях наиболее близких к биологическим требованиям культуры гороха, когда температура воздуха и количество осадков в течение вегетационного периода были в пределах среднемноголетних показателей.

Результаты и обсуждение. КПД ФАР в нашем исследовании на сортах гороха полевого (пелюшка) и посевного составил в среднем 1,38 % и 1,39 %, соответственно, а в зависимости от условий вегетации изменялся от 0,94 % и до 1,60 % у растений гороха полевого и от 0,88 % и до 1,64 % у растений белоцветкового гороха посевного (рис. 1). Схожий характер проявления данного показателя у растений культуры между разновидностями говорит об общих закономерностях и отсутствии целенаправленного отбора в селекции сортов культуры на повышение КПД ФАР.

Рисунок 1 – КПД ФАР гороха полевого (Pisum sativum arvense L.) и посевного (Pisum sativum sativum L.) в зависимости от условий вегетации.

В целом полученные нами данные согласуются с исследованиями Малышевой А.В. [12], которая отмечает, что у гороха КПД ФАР изменялся от 0,70 до 0,86 %. Однако более высокие значения КПД в нашем исследовании, возможно, связаны с более высокой урожайностью и другим регионом выращивания культуры, которые различаются приходом ФАР.

Так в нашем исследовании прослеживается отчетливая зависимость КПД ФАР от погоды в период вегетации растений культуры. В засушливых условиях при температуре воздуха в пределах среднемноголетнего значения, но при сильном недостатке воды в виде дождей, отмечается заметное снижению КПД ФАР у изученных генотипов гороха полевого (в среднем в 1,75 раза), и особенно у современных сортов и генотипов культуры – в 2,43 раза по сравнению с более благоприятными условиями вегетации (рис. 2).

По генотипам в засушливых условиях КПД ФАР варьировал от 0,80 до 1,06 %. При этом стоит отметить, что самые низкие значения наблюдались у генотипов селекции 1990-2000-х годов. Что подтверждает общую закономерность характерную современным сортам в снижении устойчивости к абиотическим факторам в целом [13] и в том числе по фотосинтетической деятельности растений культуры.

Пелюшки селекции Пелюшки селекции Пелюшки селекции 1920-1950 гг.           1970-1980 гг.           1990-2000 гг.

■ условия вегетации близкие к оптимальным ■ условия вегетации засушливые

Рисунок 2 – Влияние условий вегетации на КПД ФАР гороха полевого (Pisum sativum arvense L.) разных периодов селекции.

В тоже время исследование показывает, что в результате селекции культуры отмечается увеличение КПД ФАР от 1,26 % у пелюшек селекции 19201950 годов до 1,56 % пелюшек селекции 1990-2000 годов (рис. 3). При этом, данные изменения согласуются и с увеличением урожайности в результате селекции культуры.

мУрожайность, т/га     КПД ФАР,%

Рисунок 3 – Урожайность и КПД ФАР растений гороха полевого (Pisum sativum arvense L.) разных периодов селекции.

Во многом это связано с оптимизацией генотипа культуры гороха посевного в целом и пелюшки в частности, в результате прогресса селекции, направленного на оптимизацию продукционного процесса, архитектоники и морфофизиологии растений [14]. Что согласуется с исследованиями других ученых [4,5,11] и подтверждает важность учета КПД ФАР при отборе перспективных высокоурожайных сортов культуры.

Тем более в нашем исследовании, у разных по времени создания, архитектонике растений и морфотипу листьев, сортов гороха полевого КПД ФАР варьирует от 1,15 до 1,73 % (рис. 4) и отчетливо прослеживается генотипическая изменчивость данного признака. Есть сорта с низким КПД ФАР 1,15-1,26 %: К-1691, Фаленская 42, Надежда; сорта со средним уровнем КПД ФАР 1,42-1,51 %: СЗМ 85, Малиновка, Алла, Наташа, УП 98-393, а самый максимальный наблюдается у сорта Зарянка – 1,73 %.

e

1,5

Сорта и генотипы

Рисунок 4 – КПД ФАР сортов и генотипов гороха полевого (Pisum sativum arvense L.).

Подтверждается это и другими исследователями на разных культурах. Так Кумаков В.А. [15], отмечал широкий диапазон варьирования данного признака у яровой пшеницы от 0,30 до 1,50 %, Каргин И.Ф. с соавторами [6] – у озимой пшеницы от 1,40 до 1,80 %, и у озимой ржи от 1,77 до 1,94 %, Серажетдинов И.В. с соаторами [16] – у озимого тритикале от 1,20 до 1,50 %, Масный Р.С. с коллегами [17] – у сортов сои от 1,43 до 1,67 %, а Жидехина Т.В. [18] – у генотипов смородины разного происхождения от 1,09 до 2,52 %.

Установлен разный характер эффективности накопления энергии растениями сортов культуры в зависимости от условий вегетации. В максимально оптимальных погодных условиях у современных сортов и перспективных генотипов КПД ФАР варьирует от 1,78 до 2,20 % (рис. 5).

листочковый безлисточковый безлисточковый безлисточковый

■ условия вегетации близкие к оптимальным

■ условия вегетации засушливые

Рисунок 5 – КПД ФАР у растений современных сортов гороха полевого (Pisum sativum arvense L.) в среднем за годы изучения.

При этом отчетливо отмечается разное изменение значения КПД ФАР у сортов от условий вегетации и в первую очередь от обеспеченности растений культуры водой. В оптимальных условиях высокими значениями КПД ФАР характеризовался сорт Зарянка – 2,20 %. А сорт Наташа характеризовался самым высоким КПД ФАР (0,98 %) – в засушливых, на фоне невысокой эффективности усвоения ФАР в оптимальных условиях. Это характеризует данный сорт большей приспособленностью светособирающего аппарата к усвоению солнечной энергии в условиях дефицита влаги. Что в полной мере говорит о сортовой специфики проявления КПД ФАР и позволяет проводить целенаправленную селекционную работу по выделению и отбору перспективных генотипов с высоким КПД использования ФАР. Тем более расчеты корреляционной зависимости показывают, что между урожайностью зерна и КПД ФАР у изученных сортов гороха корреляция изменяется от 0,83 до 0,90 (при Р=0,05).

Но в тоже время стоит помнить о том, что КПД ФАР зависит не только от вида культуры и генотипа, но и от плодородия почвы [19], и от уровня применения минеральных удобрений. В частности, Мельникова О.В. с соавторами [8] отмечает, что без применения минеральных удобрений КПД ФАР у озимой пшеницы составил 1,4-1,6 %, в то время как с применением минеральных удобрений данный показатель возрастает до 3,0 %. А у гороха выявлена разная эффективность использования ФАР на применения ризоторфина, микроэлементов и регуляторов роста [10].

А это позволяет в перспективе вести целенаправленную работу по выделению и созданию сортов максимально адаптированных к условиям разной окультуренности почв и уровню применяемой агрохимии, а также к биологизированному и органическому земледелию.

Вывод. КПД ФАР может выступать комплексным показателем, характеризующим энергетическую эффективность фотосинтезирующего аппарата растений в селекции, как гороха полевого, так в целом сельскохозяйственных культур. Позволяя выделять перспективные генотипы культуры, максимально адаптированные к природно-климатическим условиям и региону выращивания.

Сорт гороха полевого Зарянка может быть рекомендован в качестве источника высокого КПД использования ФАР растениями культуры.

Сорт Наташа может использоваться в качестве источника высокого КПД ФАР для создания сортов гороха для засушливых регионов страны. А сорт Зарянка для сортов, возделываемых в условиях оптимального для культуры увлажнения.