ВВЕДЕНИЕ
Пшеница, как продовольственная культура - один из основных источников энергии для человека и животных. Значение ее как мировой культуры будет непрестанно возрастать, поскольку она представляет собой питательную и экономически выгодную продовольственную культуру, которую можно выращивать в очень разнообразных природно-климатических условиях.
Как пищевой продукт, пшеница, подобно другим хлебным злакам, обладает многими природными преимуществами. Она питательна, калорийна, ее легко хранить, транспортировать и перерабатывать в высококачественное очищенное сырье. Из нее получают легкоусвояемые продукты, пригодные для использования в кулинарных рецептах и отвечающие многочисленным вкусам. В отличие от других растительных пищевых продуктов, пшеница содержит белок клейковины, который позволяет выпекать дрожжевой хлеб.
Количество и качество растительной продукции зависят от множества факторов: от сортовых особенностей, почвенно-климатических условий, агротехники, степени устойчивости растений к вредителям и болезням, от условий уборки и хранения.
Химический состав и технологические качества растительной продукции определяются сортовыми особенностями и комплексом условий, способствующим более полному проявлению и развитию этих качеств. Установлено, что на плодородных почвах при обилии света, тепла и пониженном количестве осадков пшеница формирует зерно с повышенным содержанием и качеством белка. В прохладном же и влажном климате зерно теряет стекловид-ность, становится мучнистым, низкобелковым, и мука из такого зерна непригодна для получения изделий высокого качества. Сортовые различия по содержанию протеина проявляются в гораздо меньшей степени, чем различия под влиянием климатических факторов.
Хороший агрофон во многом предопределяет возможность получения высокого по величине и качеству урожая. Однако не всегда при высоком
урожае формируется зерно с высокими технологическими качествами. Это связано с неодинаковым влиянием того или иного агротехнического приема на величину урожая и его качество.
Вопрос о сроках посева пшеницы всегда был и остается одним из важных в общем комплексе агроприемов возделывания этой культуры. В зависимости от сроков посева, растения в период вегетации попадают в различные условия тепло- и влагообеспеченности. Оптимальные условия способствуют дружному появлению всходов, хорошему развитию корневой системы, что способствует лучшему использованию питательных веществ, устойчивости растений к засухе, снижению поражения вредителями и болезнями, что в конечном итоге определяет продуктивность растений и полноценность се- мян. Сроки посева определяют с учетом биологических особенностей культуры и почвенно-климатических факторов зоны возделывания.
В степных и лесостепных районах Западной Сибири оптимальными считаются сроки посева с 15 по 25 мая. Сроки эти приняты из-за необходимости весенней борьбы с сорняками и целесообразности совмещения фазы колошения яровой пшеницы с началом второй декады июля, то есть к пику осадков летнего периода. Все эти и другие факторы, зависящие от сроков посева, оказывают большое влияние не только на величину урожая семян, но и на их посевные и технологические качества.
Урожай яровой пшеницы и его качество в равной степени зависит как от условий произрастания, так и от сроков уборки. Затянувшаяся уборка, также как и преждевременная, приводит к недобору урожая и снижению качества семян.
Многочисленными работами доказано, что каждый день промедления с уборкой спелых хлебов резко увеличивает потери от осыпания. Они сильно возрастают при неустойчивой погоде, когда часто выпадают дожди, чередующиеся с солнечной жаркой погодой. В этом случае колосковые чешуи сильно раскрываются и зерно легко выпадает из колоса. Особенно опасны для созревшего хлеба ветры.
Но перестой на корню не ограничивается лишь потерями в урожае, при
этом значительно снижается качество убранного зерна. В этом случае воз-
/ можно вторичное его увлажнение не только вследствие выпадения дождей,
но из-за рос и туманов, и даже из-за более высокой относительной влажности
воздуха.
Промедление с уборкой также ведет к снижению качества зерна из-за «стекания», увеличения пораженности фузариозом.
Актуальность
Яровая пшеница, как основная продовольственная культура, имеет разностороннее использование в народном хозяйстве. В структуре посевов зерновых культур в Кемеровской области яровая пшеница занимает 25%. Еже-^ годная потребность в продовольственном зерне составляет 500 тыс.т. Отсут-
ствие четко дифференцированного подхода к возделыванию яровой пшеницы на продовольственные и семенные цели, посев некондиционным семенным материалом приводит к снижению продуктивности пшеницы и ухудшению технологических качеств зерна. В этой связи разработка оптимальных технологических приемов возделывания с учетом метеорологических условий зоны возделывания, особенности сортов разных групп спелости, направленных на получение зерна с высокими технологическими, семенными качествами и урожайными свойствами, является актуальной проблемой в условиях Куз-% нецкой котловины.
Диссертационная работа направлена на изучение динамики технологических и семенных качеств в зависимости от сроков посева, уборки и климатических условий. Ранее такие исследования в условиях Кемеровской области не проводились.
Цель работы — выявить оптимальные приемы технологии возделывания яровой пшеницы с учетом гидротермических ресурсов лесостепной зоны Кемеровской области, обеспечивающие получение зерна с высокими технологическими и посевными качествами.
Задачи исследования
1. Установить особенности формирования технологических, семенных качеств зерна яровой пшеницы при различных метеорологических условиях и технологических приемах возделывания.
2. Определить изменчивость основных признаков продуктивности и характер корреляций между ними в зависимости от сроков посева.
3. Дать сравнительную оценку сортам различных групп спелости по комплексу технологических качеств.
Научная новизна
На основе изучения комплексного влияния метеорологических факторов и приемов агротехники на рост и развитие растений, закономерностей формирования урожайности, семенных и технологических качеств, разработаны основные элементы технологии получения зерна яровой пшеницы с высокими хлебопекарными качествами в лесостепи Кузнецкой котловины. Обоснована биоэнергетическая эффективность технологических приемов возделывания.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В условиях открытой части северной лесостепи Кемеровской облас ти возможно получение зерна яровой пшеницы с высокими хлебопекарными качествами.
2. Технология возделывания яровой пшеницы должна базироваться на ранних сроках посева и уборке в фазу полной спелости.
3. Длительный перестой яровой пшеницы на корню исключает возможность получения высококлассного зерна для использования его на продовольственные и семенные цели.
Практическая значимость и реализация результатов исследований
Выбор оптимального срока посева, а также продолжительность уборки
играют существенную роль в получении высокого урожая зерна с отличными
технологическими качествами. Полученный экспериментальный материал
позволит хозяйствам применять оптимальные сроки посева в зависимости от
метеорологических условий и используемых сортов, а при длительном перестое - формировать партии зерна с высокими продовольственными и семенными качествами.
Производственную проверку и внедрение элементов технологии возделывания яровой пшеницы Омская 29 и Ирень проводили в хозяйствах Юр-гинского, Тисульского и Яйского районов Кемеровской области.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены на заседаниях методических комиссий и Ученого Совета Кемеровского НИИСХ (2000-2002); на заседании научно-методического семинара кафедры ботаники Кемеровского государственного университета (г. Кемерово, 2001); на курсах повышения квалификации агрономов Кемеровской области в Школе повышения агро-кадров (г. Кемерово, 2002); на Ш-й Международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (г. Новосибирск, 2003); на межрегиональной научно-практической конференции «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика» (г. Кемерово, 2003); на межрегиональной конференции молодых ученых, проводимой в рамках празднования 50-летия освоения целинных и залежных земель (г. Омск, 2004).
ГЛАВА 1 Обзор литературы 1.1. Понятие о качестве зерна
Химический состав зерна пшеницы чрезвычайно изменчив. Содержание белка, минеральных веществ, витаминов, пигментов и ферментов в разных партиях пшеницы может различаться в три, пять и больше раз. Широкий размах колебаний в физических свойствах муки, получаемой из различных партий пшеницы, нельзя обнаружить путем простого химического анализа. Технология размола еще больше расширяет крайние пределы колебаний химического состава и физических свойств муки, и побочных продуктов [1].
Различие в физических и химических свойствах между разными партиями и сортами пшеницы весьма велики. Эти различия и становятся основой того, что относится к качеству [2-12].
В зависимости от состояния хлебного баланса и положения на хлебном рынке, ведущие страны по производству зерна пшеницы по разному подходят к качеству зерна. Наиболее высокие требования к нему предъявляются в экспортирующих странах: Канаде, США, Аргентине и Австралии, где ХА-ЪА производства зерна идет на экспорт [13].
Понятие о качестве пшеницы возникло давно, но сформировалось более четко лишь в XVIII веке, когда в Англии и других странах Европы наметился переход от мелких промышленных предприятий по переработке зерна и выпечке хлеба к крупным [14-17].
Среди известных русских ученых, изучавших основные показатели свойств пшеницы, следует отметить К.Г. Кирхгофа, Ф.Ф. Эрисмана, Г.И. Моделя, Д.И. Менделеева и других.
Если рассматривать требования к качеству зерна в историческом разрезе, то в начале они сводились к внешним признакам. Большое внимание уделялось натуре зерна, что было связано с торговлей его не по весу, а по объему. Наряду с этим обращали внимание на влажность, засоренность, цвет и стек-
8
ловидность зерна. Указанные требования легли в основу действующего стандарта^].
В дальнейшем первостепенное значение стали придавать содержанию белка. Считалось общепризнанным, что технологические свойства зерна в значительной степени обусловливаются не только общим количеством белка или сырой клейковины, но и их качеством [19-20].
В разных странах при оценке качества зерна используют до 20 различных, прямых и косвенных методов. Отсутствие интегральных характеристик и требование полноты оценки обусловливают применение всего комплекса признаков, которые не заменяют друг друга [22].
Для получения пищевых продуктов используют, главным образом, эндосперм злаков, белки которого, несмотря на недостаточную питательную ценность, определяют технологические свойства зерна, возможность получения из него хлеба и макарон высокого качества [23-24]. Объясняется это уникальной способностью преобладающих в пшенице запасных белков — глиа-дина и глютенина - образовывать комплекс, называемый клейковиной. Именно клейковина, а не какие-то особые пищевые свойства, определяет ведущую роль пшеницы в производстве зерна [25-27].
Клейковина была обнаружена в 1745 году итальянским ученым Беккари, а в 1785 году француз Пармантье установил, что вещество это, жадно поглощая воду, приобретает мягкость, гибкость, растяжимость и эластичность, что позволяет ему играть самую большую роль в процессе приготовления хлеба [28].
В настоящее время выдвигают требования к «силе» пшеницы. Под «силой» пшеницы понимается комплекс технологических свойств, обеспечивающий высокое качество хлеба при переработке на автоматизированных хлебопекарных предприятиях, а также способность улучшать качество муки из слабого зерна [29].
Исследователи США считают, что при нормальных условиях произрастания пшеницы ее сила определяется сортом и содержанием белка [30].
9
По хлебопекарным качествам мука мягких пшениц делится на три группы: сильная (по-английски strength), средняя (по-английски weard) и слабая (по-английски filler - наполнитель) [31].
От «силы» пшеницы несколько отличается понятие технологические свойства или технологические достоинства. Понятие технологические свойства значительно шире, чем понятие «силы» пшеницы.
Из внешних факторов, которым отводят наибольшее значение в определении хлебопекарных качеств, чаще всего обращают внимание на стекловид-ность зерна.
В практике заготовки учитывают общую стекловидность. Это обусловлено тем, что показатель общей стекловидности зерна пшеницы более тесно связан и с содержанием клейковины, и с белковостью зерна, чем показатель полной стекловидности [32]. Тем не менее, в США и Канаде учитывают только полностью стекловидные зерна [33].
Стекловидное зерно всегда дает больше муки, крупы и лучше размалывается (мягкие пшеницы). А эти факторы и определяют мукомольные свойства зерна [34]. Так, по данным А.И. Марушева [35], коэффициент корреляции между стекловидностью зерна и объемным выходом хлеба у мягких пшениц 0,72.
Стекловидность может очень быстро изменяться под влиянием неблагоприятных условий уборки, которые не сказываются на количестве клейковины. Мукомольные свойства в основном обусловливаются не стекловидностью, а твердостью зерна [36-37].
Масса единицы объема пшеницы — это наиболее распространенный и одновременно простой признак качества пшеницы. В США и Канаде он выражается массой одного бушеля в фунтах, а в большинстве стран, где введена метрическая система мер, массой одного гектолитра в килограммах [38].
Основные факторы, влияющие на массу единицы объема зерна, были установлены I. Hlynka. и W. Bushuk [39], которые показали, что размер зерна, как таковой, почти или совершенно не влияет на натурную массу, а с другой
10
стороны форма зерна и однородность его размеров оказывают влияние, поскольку именно эти два фактора определяют характер расположения зерна в соответствующем сосуде. Масса единицы объема — это очень важный фактор во всех системах классификации зерна. Ее значение заключается в том, что она представляет собой показатель (хотя и приближенный) предполагаемого выхода муки [35]. С. Mangels и Т. Sanderson [40] установили коэффициент корреляции между натурной массой пшеницы и выходом муки для ряда лет, равный 0,762. W. Schuey [41] изучив 287 разных пшениц, в своих исследованиях установил аналогичный коэффициент (0,744).
Одним из основных показателей качества зерна пшеницы, с которым тесно связана не только питательная ценность хлеба, но и технологические и мукомольно-хлебопекарные показатели, является содержание белка в зерне [42-44].
Содержание белка в зерне зависит от нескольких факторов: от района возделывания яровой пшеницы, плодородия почв, агротехники возделывания и погодных условий в период от колошения до восковой спелости [45].
Как показывают опыты, уровень белка в зерне пшеницы, в зависимости от условий, может колебаться от 7 до 26% [46-47]. Однако И.М. Коданев [48], на основании десятилетних материалов доказывает, что при одних и тех же климатических и почвенных условиях при помощи агротехнических приемов можно изменить химический состав зерна. Например, амплитуда колебания белковости зерна под воздействием агротехнических приемов доходила до 8%, а содержание клейковины в муке колебалось от 9 до 20%.
Содержание белка очень сильно влияет на хлебопекарные качества пшеничной муки. Однако, по мере увеличения содержания белка в зерне и муке, объем хлеба повышается только лишь до определенного предела: пока содержание белка будет не выше 17%. При более высоком содержании белка хлебопекарные качества начинают ухудшаться [49-51].
Хлебопекарные свойства (объемный выход хлеба), а также белковость зерна, бывают лучше у зерна, полученного в менее влажные и засушливые
11
годы. Вместе с тем, в очень сухие годы качество хлеба снижается. Процентное содержание клейковины (сырой и сухой) в муке и протеина в зерне всегда увеличивается от влажных лет к сухим, но при пересчете на абсолютный вес зерна уменьшается [52].
По наблюдениям А.И. Марушева [53], часто высокое содержание протеина в зерне пшеницы, ни в какой мере не отражает ни питательную ценность зерна, ни его высокие технологические свойства.
До сих пор не существует какого-то одного комплексного показателя хлебопекарных качеств пшеницы. Поэтому наиболее объективным критерием оценки хлеба являются пробные выпечки [54-55].
Для выявления хлебопекарных качеств сильной пшеницы с 1957 г. в Ка- наде, а затем в других странах и в России, применяют выпечки с повторным замесом (remix) [56-57].
G. Irvine и Me. Mullan [57] нашли, что объемный выход хлеба при методике remix хорошо коррелирует с показателями «силы» муки, полученной при исследовании на фаринографе, экстенсографе и методом седиментации.
В настоящее время применяются полумикрометоды хлебопекарной оценки.
Первым из микрометодов хлебопекарной оценки был разработан А.Я. Пумпянским и Ф.П. Картавщиковым в 1958 году [58]. В дальнейшем он был усовершенствован путем применения активных сухих дрожжей.
Общепризнанно, механические и реологические свойства теста имеют большое значение для качества выпекаемой продукции. Для получения объективных данных о реологических свойствах теста сконструировано много разнообразных приборов, с помощью которых можно заранее установить, как поведет себя тесто в процессе выпечки.
12
1.2. Сортовые особенности и качество зерна яровой пшеницы
Сорт считается одним из решающих факторов достижения высоких урожаев зерна хорошего качества.
Согласно современным представлениям, выведенный селекционерами новый сорт - это качественно новая, особая биологическая система, свойства которой проявляются в характере реагирования на воздействие условий внешней среды [59].
Присущие сорту ценные свойства могут проявляться лишь при определенных условиях выращивания, на агрофоне, обеспечивающем наиболее широкое раскрытие потенциальных возможностей сорта. Соотношение между генетическими и внешними факторами складывается так, что при оптимальных условиях выращивания решающее влияние на конечный результат -урожайность и качество зерна - оказывает генетический фактор (сорт) [48, 60, 61]. При неблагоприятных условиях сорт отходит на второй план и возрастает влияние внешних условий [62].
Использование высокопродуктивных, приспособленных к местным условиям сортов яровой пшеницы без дополнительных материальных затрат повышает урожайность на 10-20% [63].
Не все сорта равноценны. Одни положительно отзываются на агроприе-мы, повышающие их продуктивность и улучшающие качество зерна в любых условиях произрастания, другие напротив, могут произрастать лишь в специфических условиях окружающей среды [64].
Поэтому важную роль в повышении урожайности играет приспособленность сортов к нестабильным условиям внешней среды [65].
Среди существующих сортов мягкой пшеницы в изменяющихся условиях среды лишь немногие более или менее устойчиво сохраняют хлебопекарные качества [66].
Сортовые особенности являются одним из важных факторов, определяющих технологические и пищевые достоинства зерна и получаемых из не-
13
го изделий. Сорта сильной пшеницы являются улучшителями других сортов при хлебопечении, повышают качество хлеба, выход и качество клейковины [67].
Особое внимание в селекционной работе уделяется содержанию в растениях белковых веществ и их качеству. Проблема белка — одна из наиболее острых и важных в современном растениеводстве, поскольку мировое производство растительного белка ниже нормальной потребности в нем населения земного шара [59].
Создание сортов, формирующих большие урожаи высокобелкового зерна, сопряжено с большими трудностями, так как обычно между продуктивностью и содержанием белка в зерне существует обратная корреляционная зависимость [68-70].
Тем не менее, П.П. Лукьяненко создал великолепный сорт озимой пшеницы Безостая 1. На базе этого сорта созданы десятки сортов в нашей стране и за рубежом. Безостая 1 существенно превосходила по урожайности распространенные в то время сорта и при этом формировала высококачественное зерно [71-72].
По классическому подсчету Н.И. Вавилова, в перечень необходимых требований к сорту входят 46 пунктов: форма зерна, высокая масса 1000 семян, безостый, неосыпающийся при созревании колос, не прорастающее на корню и в снопах зерно и т.д. [73].
Сорт должен обладать совокупностью многих биологических признаков, при равных условиях обеспечивать получение более высокого урожая лучшего качества. Наиболее полно каждый сорт проявляет свои возможности при высокой агротехнике и высоком общем уровне земледелия.
Как считает В.А. Кумаков [74], с точки зрения фотосинтеза предельно высокие урожаи вполне реальны. Для получения урожайности зерна 150 ц/га, растения должны будут вынести из почвы более 500 кг азота. Для таких колоссальных доз азота требуются новые сорта с сильно измененными функциями роста органов.
14
Роль генотипа неуклонно возрастает, получение высоких урожаев зависит от перспектив создания сортов нового поколения, способных повышать уровень урожайности на высоких агротехнических фонах, сохраняя при этом высокое качество зерна.
1.3. Влияние климатических условий на технологические качества зерна яровой пшеницы
Высокое технологическое (хлебопекарное) качество зерна пшеницы тесно связано с географическим размещением его посевов. При исследовании большого количества проб мировой коллекции ВИР установлено, что наибольшую силу, устойчивость теста к замесу и высокую смесительную ценность имеет зерно пшеницы, репродуцированное в условиях Казахстана и Западной Сибири [75-76].
Химический состав зерна, его биологические и технологические свойства в значительной степени зависят от климатических условий и биологических особенностей сорта [77].
Влияние климатических и почвенных условий на химический состав зерна впервые (1865 г.) исследовал профессор Московского университета Лясковский. Он установил, что содержание белка в зерне увеличивается при продвижении с запада на восток и с севера на юг, в районы с большим количеством солнечных лучей [78].
Одним из основных показателей качества зерна является его белковость, так как с ней связаны не только питательность, но и технологические, муко-мольно-хлебопекарные свойства и товарная ценность зерна [79].
О влиянии внешних условий на белковость зерна имеются различные точки зрения, однако, наиболее широко распространено мнение, что ведущее значение среди многих факторов принадлежит климату [80-81].
В странах с благоприятными агроклиматическими условиями отсутствует необходимость в определении достаточно большой группы показателей.
15
Так, в США количество и качество клейковины не входит в число показателей, необходимых для определения класса пшеницы - достаточно знать содержание белка. Это обусловлено, в первую очередь, благоприятными условиями выращивания пшеницы на всей территории страны. У выращенного зерна относительно постоянное качество [82].
Тесная взаимосвязь компонентов природной среды затрудняет выделение изолированного действия каждого из них. Ряд авторов [83-85] установили влияние температуры и связанной с ней продолжительности межфазных периодов на качество зерна пшеницы. Удлинение вегетационного периода, вызванное пониженными температурами, значительным количеством осадков и повышенной влажностью почвы, обусловливает накопление крахмала, повышает урожай и понижает белковость зерна [86].
Специальные опыты, поставленные с одними и теми же сортами, показали, что влияние климата настолько существенно, что растения одного и того же сорта, например, в Харьковской области содержали в зерне 24,3% белка, Тверской — 13,3%, в Баварии — только 11,9%; в другом случае зерновки пшеницы содержали белка на морском побережье 10%, а в сухих и жарких районах 18% [87].
По данным СибНИИРС наибольшее содержание белка и лучшие хлебопекарные качества зерна отмечались в годы, когда фаза формирования зерна проходила в сухую жаркую погоду [88].
Как показали агрометеорологические исследования, для полного завершения жизненного цикла - от посева до уборки пшеницы - требуется сумма активных температур в пределах 1600-1800°С [89].
Температура вегетационного периода имеет большое значение в жизни растения, что подтверждается многочисленными исследованиями по этому вопросу [90-94]. Влияние температуры на яровую пшеницу не ограничивается регуляцией вегетационного периода. Все жизненные процессы имеют свой температурный минимум, оптимум и максимум. Физиологический оптимум температур у большинства сортов пшеницы в течение вегетации 16-20°С.
16
Гармоничный оптимум от всходов до кущения должен быть ниже 20°С, а в период кущения 24-25°С [95-97].
Высокая температура сокращает продолжительность развития клеток эндосперма и ускоряет старение органов ассимиляции. Поэтому зерновки, созревшие при 30°С, характеризуются удлиненной формой, щуплостью и меньшей массой [98-99]. Высокие температуры влияют также на урожай. Так, при температуре 35°С снижается урожайность на 11-22%, а при 40°С падает на 43-48% [84,100].
Влажность почвы является одним из факторов, определяющих условия произрастания сельскохозяйственных культур.
Установлено, что в период формирования всходов (до кущения), состояние посевов почти всецело зависит от влажности верхнего слоя почвы (0-20 см). В среднем, удовлетворительному состоянию всходов соответствует на черноземных суглинистых почвах запас влаги 15 мм [101].
Наибольшая чувствительность пшеницы к недостатку влаги связана с периодом наибольшего водопотребления, который совпадает с началом формирования генеративных органов и продолжается до молочной спелости. Оптимальной влажностью почвы в период «выход в трубку - молочная спелость» является 75-80% ПВ, в период «молочная спелость - восковая спелость» 65-70% ПВ, дальнейшее созревание зерна не зависит от влажности почвы [102].
Дефицит влаги в почве во время цветения и налива отрицательно влияет на массу зерна [103-104]. Оно становится, вследствие дефицита влаги, невыполненным и легковесным.
Количественные критерии оптимальной влажности почвы составляют более 20 мм в пахотном слое (менее 10 — показатель засушливости), по М.С. Кулику; не менее 80 мм в течение вегетации, по С.Л. Вериго и Л.А. Разумовской [105].
17 |
