Кукуруза — одна из основных сельскохозяйственных культур во множестве регионов планеты, особенно уязвимая перед проблемами, вызванными нехваткой воды и засолением почв. Китай, занимающий второе место среди мировых производителей кукурузы, обеспечивает 23,5 % глобального производства этой культуры и 42,2 % общемирового объема зерна. Прогнозируется, что к 2050 году численность населения Земли достигнет отметки в 9,8 млрд человек, что вызовет резкий скачок спроса на продукты питания, включая кукурузу. Урожайность кукурузы значительно превышает показатели пшеницы и риса, однако она требует большего объема воды. Одним из ключевых методов рационального использования водных ресурсов в засушливых зонах является регулируемое орошение с учетом дефицита влаги, которое предполагает распределение скудных запасов воды в наиболее важные фазы развития растений, стимулируя быстрый рост первых листьев для максимального усвоения солнечного света. В менее значимые этапы вегетационного цикла полив сокращается либо прекращается вовсе, что тормозит развитие надземных частей растения, уменьшает испарение и увеличивает коэффициент полезного использования воды (WP), минимально влияя на итоговую урожайность. Методика орошения с дефицитом воды получила широкое применение как в Китае, так и за его пределами, и многие аспекты данного подхода хорошо изучены. Тем не менее, до сих пор остается неясным, каким образом этот метод воздействует на морфологию, физиологию и биохимию листьев кукурузы в условиях засоленности почвы.
Важнейшей задачей является увеличение коэффициента полезного использования воды (WP), который необходим для борьбы с дефицитом воды, засолением земель и наращивания объемов производства кукурузы. Это подразумевает получение той же урожайности при меньшем расходе воды. Сегодня средняя эффективность использования оросительных вод составляет около 52 %, и ожидается, что к 2030 году этот показатель поднимется до 60 %. Однако даже такие цифры далеки от уровня 70–80 %, характерного для стран с высокоразвитым сельским хозяйством. Поэтому задача поиска оптимального соотношения между экономией воды и сохранением высокой урожайности кукурузы и WP продолжает оставаться весьма актуальной. В полузасушливых районах методы регулируемого орошения уже доказали свою результативность в плане сокращения расхода воды без значительных потерь урожая, что ведет к повышению показателя WP. Микроорошение соленой водой показало возможность повысить урожайность и WP благодаря регулировке физиологических процессов в растениях и улучшению качества почвы. Исследования также подтвердили, что слабый водно-солевой стресс позволяет снизить уровень транспирации на 10,0 %–21,9 % и уменьшить урожайность всего на 1,5 %–8,7 %, одновременно увеличив WP на 7,4 %–17,0 %. Но долговременное использование слабосоленых растворов может привести к накоплению солей в почве, что отрицательно скажется на ее структуре и аэрации, негативно повлияв на рост и продуктивность растений. Несмотря на значительные успехи в изучении урожайности и водопотребления кукурузы в условиях водного и солевого стресса, механизмы физиологической регуляции водопотребления остаются слабо исследованными. Необходимо глубже изучить эти процессы, чтобы лучше понимать, как кукуруза регулирует потребление воды в условиях недостатка влаги и засоления.
Устья играют важную роль в процессе фотосинтеза и транспирации, оказывая значительное влияние на эффективность фотосинтеза и водопользование сельскохозяйственных культур. Дефицит воды вызывает снижение водного потенциала и тургора растений, вследствие чего устья закрываются, уменьшая интенсивность испарения, что в свою очередь влечет за собой уменьшение скорости фотосинтеза. Интересным фактом является то, что процесс транспирации реагирует на закрытие устьиц гораздо быстрее, чем фотосинтез, что способствует увеличению WP. Длительный дефицит влаги способен повредить фотосистемные функции растений, приводя к дефициту углерода, уменьшению высоты стеблей и общей площади листьев, что, в конечном счете, сказывается на накоплении сухой массы и урожайности. После засухи и возобновления полива водный баланс, потенциал и фотосинтетическая активность листьев постепенно возвращаются к нормальным значениям, хотя степень восстановления зависит от длительности и интенсивности засухи. Наблюдалось, что после засухи некоторые виды растений, такие как хлопок, способны компенсировать потери. Более того, устья восстанавливают свою функциональность медленнее, чем водный потенциал и фотосинтез, вероятно, из-за длительного воздействия абсцизовой кислоты (АБК) и возможных гидравлических ограничений, что также повышает внутреннюю эффективность использования воды (WUEi). Тем не менее, аналогичные данные для кукурузы пока недостаточны, что делает необходимым изучение роли устьичной проводимости в изменении WP при водном дефиците и последующем поливе. Солевой стресс также приводит к ионному дисбалансу в корнях, нарушающему поглощение воды растениями, что сопровождается падением водного потенциала листьев. Накопление токсичных ионов в клетках растений может повреждать структуру хлоропластов, подавлять активность фотосинтетических ферментов и затормозить рост листьев, что в итоге снижает фотосинтетический потенциал и общую площадь листового покрова. Известно, что одновременное воздействие водного и солевого стресса может вызывать как аддитивные, так и противоположные эффекты на рост растений. Следовательно, необходимы дополнительные исследования, направленные на выяснение механизмов влияния водного и солевого стресса на гидравлические параметры листьев, устьичные реакции, фотосинтетические характеристики и их взаимосвязь с WP.
Полная статья:
Agricultural Water Management
Урожайность зерна и водопотребление кукурузы при дефиците орошения и солевом стрессе
