Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Сотрудниками кафедры земледелия под руководством д.с.х.н., профессора Л.В. Ильиной (1970–1990 гг.), а позже д.с.-х.н., профессора кафедры агрохимии, почвоведения и физиологии растений Р.Н. Ушакова (1995–2010 гг.) были проведены многолетние исследования на стационарном поле, результаты которых выявили положительное значение агрохимической составляющей плодородия почвы в обеспечении устойчивого производства сельскохозяйственной продукции. Так, в оптимальные по водообеспеченности годы урожайность зерна ячменя и овса составляла 5,0–5,5 т/га. То есть в продукционном процессе зерновых культур южной части Нечерноземной зоны и в становлении зернового комплекса региона большое значение имеют мероприятия, направленные на улучшение условий произрастания растений в неблагоприятных условиях по водообеспеченности. Повышение плодородия серых лесных почв означает, что в условиях почвенной засухи потери зерна можно снизить на 0,3–1,0 т/га.

Материалы и методы исследований

Исследования проводились в 2010–2015 гг. в различных хозяйствах Рязанской области с целью изучения агрохимического аспекта устойчивости растений ячменя в севообороте к засухе в южной части Нечерноземной зоны. В статье использовались результаты многолетнего (стационарного) опыта (1970–1990 гг.) по комплексному окультуриванию серой лесной почвы (опыт 1) с внедрением систем удобрений, обработки, севооборотов, проведенного сотрудниками кафедры земледелия под руководством д.с.-х.н., профессора Л.В. Ильиной в нашей модификации. Исследования проведены на базе двух севооборотов, развернутых во времени в течение шести ротаций: 1-й полевой зернопропашной севооборот включал в порядке последовательного чередования викоовсяную смесь (на сено), озимую пшеницу, картофель, ячмень и овес; во 2-й полевой зернотравянопропашной севооборот входили те же культуры, за исключением замены однолетних трав на многолетние – клевер. В первые три ротации возделывались сорта картофеля Темп, ячменя – Луч, вики – Льговская 31/292, овса – Льговский 1026, озимой пшеницы – Мироновская 808. В последние три ротации изменились сорта картофеля и ячменя – выращивали соответственно Невский и Зазерский 85. В севооборотах изучали системы основной обработки почвы с различными методами углубления пахотного слоя и его мощностью. Варианты обработки почвы заложены на трех фонах:

1) без удобрений (контроль);

2) средние дозы органических и минеральных удобрений;

3) высокие дозы органических и минеральных удобрений.

Под ячмень в I и II ротациях севооборота применялась вспашка на 18–20 см, а в III ротации – лемешное лущение на 12–14 см. Дозы удобрений рассчитывали на основании планируемого урожая и содержания элементов питания в почве. В статье приведены результаты исследований по одной культуре севооборота – ячменю (табл. 1).

Опыт заложен методом расщепленных делянок, варианты обработки почвы в повторениях – методом рандомизации. Повторность – четырехкратная. Размер делянки третьего порядка – 465 м2, учетной делянки – 100–250 м2. Агротехнические условия возделывания сельскохозяйственных культур во всех ротациях севооборотов были одинаковыми и общепринятыми для зоны.

Результаты исследований и их обсуждение

Значение гидротермического коэффициента (ГТК) за вегетационный период культурных растений в острозасушливом 2010 году составило 0,3. Ячмень на протяжении большего времени развития находился в стрессовых условиях, о чем свидетельствует уровень урожайности: в среднем по Рязанской области она составила 1,5–1,7 т/га, что в 1,3–1,5 раза меньше по сравнению с оптимальными по водообеспеченности годами. Этот год можно считать «испытательным» для проверки значения агрохимического состояния плодородия почвы в смягчении вредного действия засухи. В хозяйстве им. Чапаева Рязанского района на серых лесных почвах были проведены обследования посевов ячменя на участках, отличающихся по пищевым фонам (влажность почвы в слое 0–20 см при этом составила в фазу кущения − выхода в трубку 17–19 %). Установлены достоверные различия по содержанию обменного калия в почве и его значение в формировании урожайности ячменя в засушливых условиях (табл. 2, 3, 4).

Таблица 1

Система удобрений – фактор В в севооборотах – фактор А (Ильина, 1997)

Таблица 2

Урожайность ячменя и кукурузы в 2010 г. и содержание обменного калия в почве (0–20 см)

Таблица 3

Результаты дисперсионного анализа урожайности ячменя в засушливых условиях

Таблица 4

Результаты дисперсионного анализа урожайности ячменя

Так, при содержании в серых лесных почвах обменного калия при одном уровне в пределах 12,6 и 15,3 мг/100 г в другом урожайность ячменя составила соответственно 1,3 и 1,7 т/га (при НСР05 = 0,101 т/га). Не меньшее значение, чем калию, в повышении устойчивости культурных растений отводится и азоту, в частности его гидролизуемой форме. Азот, как известно, участвует в ростовых и синтетических процессах, в том числе и тех, которые ответственны за формирование устойчивости. Большое содержание гумуса и азота в почве способствовало лучшему развитию ячменя в неблагоприятном 2010 г.

Данные многолетних исследований Л.В. Ильиной (1987) (весенние запасы воды в серых лесных почвах в годы с ГТК меньше и больше единицы, урожайность яровых зерновых культур в зависимости от технологического уровня окультуривания почвы) позволили установить, что высокое плодородие почвы способствует лучшему накоплению воды в почве к моменту посева ячменя. За счет этого повышается его урожайность по сравнению со среднеплодородным вариантом (табл. 5).

Таблица 5

Сравнительная характеристика запасов воды в серой лесной почве (0−50 см) и урожайности ячменя*

Примечание. * рассчитано нами на основании исходных данных Л.В. Ильиной.

Как видно из табл. 5, урожайность ячменя при ГТК < 1 на высокоплодородной почве увеличивается на 0,5 т/га по сравнению со среднеокультуренной; при ГТК > 1 прибавка повышается в 2 раза.

При разработке моделей плодородия для серых лесных почв Л.В. Ильина [1] вывела уравнение зависимости урожайности культурных растений от 10 показателей: весенние запасы влаги, содержание элементов питания и другие. Применение данного уравнения позволило рассчитать эмпирические значения урожайности при засухе и различных условиях обеспеченности элементами питания (продуктивной влаги 20 мм). Установлено, что при содержании нитратного азота 30 мг/кг, подвижного фосфора и обменного калия по 17 мг/100 г, что соответствует среднему уровню плодородия, возможна средняя продуктивность культурных растений (составляет около 4,0 т к.ед./га). При увеличении нитратов в 2 раза, доступных фосфора и калия до 20 мг/100 г следует ожидать прибавку урожайности на 1,0 т к.ед./га. Расчеты коэффициентов водопотребления растений свидетельствуют о зависимости использования влаги от уровня плодородия. В вариантах, где применялись технологии окультуривания серых лесных почв, рассчитанные на средний и высокий уровни плодородия, коэффициенты водопотребления всех культур были ниже, чем на низкоплодородных почвах. По прошествии третьей ротации севооборота разница в значении коэффициента водопотребления у растений между вариантами составила 36–40 %. На окультуренных почвах вероятность повышения продуктивности культурных растений выше при одной и той же водообеспеченности растений, чем на неокультуренных. В стационарном опыте интенсивность использования каждых 100 мм воды на формирование фитомассы на средне- и высокоплодородных почвах была соответственно выше по картофелю на 24 и 65 %, по ячменю – на 12 и 44 %, по овсу – на 23 и 55 %, по озимой пшенице – на 26 и 55 %, чем на низкоплодородных почвах.

Наибольшая эффективность азотных, фосфорных и калийных удобрений на ячмене отмечалась за вегетационные периоды, которые по увлажнению были близкими к средней многолетней. Наибольший эффект за все годы исследований получен при использовании азотных удобрений. Однако в избыточно влажные годы (осадков 140 % от средней многолетней) происходит вымывание азота из корнеобитаемого слоя, в связи с чем действие их несколько снижается, но остается относительно высоким – на 16–19 % выше калийных и фосфорных удобрений. В сильно засушливые годы (осадков менее 60 % от нормы) комплексная оптимизация питания зерновых культур обеспечивает прибавку зерна ячменя в 1,52 т/га. В засуху, как показали опыты, реальная продуктивность зерна ячменя – на уровне 4,2 т/га.

Динамика урожайности зерна зависит от ГТК. Статистическая обработка результатов позволила обнаружить корреляционную зависимость урожайности ячменя от гидротермических условий мая: коэффициент корреляции составил около 0,7, то есть на 49 % продуктивность зерна обусловлена водообеспеченностью начального периода вегетации.

В засушливых условиях (ГТК < 1), несмотря на снижение использования калия из удобрения, калийная соль обеспечивает достоверную прибавку зерна в 0,38 т/га (t-критерий составил 4,5). Так, если на фоне NP урожайность составила в среднем 2,44 т/га, то за счет оптимизации питания калием – 2,82 т/га. Еще больше различия при сравнении с вариантом без удобрений – 0,99 т/га.

Внесение под зерновые культуры только азотных и фосфорных удобрений является менее эффективным вариантом, чем на их фоне использование калийной соли, так как, согласно уравнениям регрессии, при увеличении значения ГТК на 0,5 ед. (например, с 0,5 до 1,0) ожидаемая прибавка может быть соответственно 0,23 и 0,27 т/га. В засушливых условиях (ГТК 0,5–0,8) в вариантах без удобрений уровень продуктивности зерна не превышает 2,0 т/га (Y = 17,3 + 4,0X), в случае внесения азотных и фосфорных удобрений реально получать 2,6–2,7 т/га (Y = 23,5 + 4,6X); комплексной оптимизации питания – около 3,0 т/га (Y = 26,4 + 5,4X) (рис. 1).

Без удобрений Фон NP

NP + Kк

Рис. 1. Зависимость урожайности ячменя от ГТК

Таблица 6

Влияние форм калийных удобрений на продуктивность севооборота, т з. ед./га

Как показал сравнительный анализ, применение минеральных удобрений в опыте с калийными удобрениями, антропогенное регулирование, направленное на улучшение питания ячменя, служит действенным мероприятием в борьбе с засухой.

В опыте с калийными удобрениями продуктивность севооборота увеличивалась по мере ротаций (табл. 6).

Рассчитанное уравнение тренда имеет вид Y = 2,0 + 0,06X, то есть в среднем за ротацию урожайность выросла на 0,06 т з. ед./га, по яровым зерновым – 0,01 т/га (Y = 3,2 + 0,01X).

В многолетнем опыте с азотными удобрениями (опыт 2) была установлена аналогичная закономерность: прямолинейная и логарифмическая зависимость урожайности яровых зерновых культур от ГТК.

Статистическая обработка многолетних урожайных данных указывает на преимущество использования азотных удобрений (установлено на примере с аммиачной селитрой) под яровые зерновые культуры. Как показывают рис. 2 и 3, наибольшее значение границы урожайности отмечено в варианте с аммиачной селитрой – 3,59 т/га, в то время как на РК фоне – 2,52 т/га, и еще меньше – 2,23 т/га в контрольном варианте без применения минеральных удобрений. Минимальная для определенных вариантов опыта, но неодинаковая между ними урожайность яровых зерновых культур соответствуют низкому значению ГТК, увеличение которого приводит к росту урожайности.

Наибольшие расхождения в урожайности зерна обнаружены при сравнении вариантов без удобрений и РК фон + аммиачная селитра. Причем оно в 10 раз превысило значение при сравнении с первым вариантом РК фона без азотного удобрения.

Нами математически подтвержден тезис о роли минеральных удобрений в борьбе с засухой. Уравнения регрессии показали, что теоретически в острозасушливые годы при соблюдении технологической дисциплины в возделывании сельскохозяйственных культур, комплексной оптимизации питания возможно получение урожайности зерна (при указанных выше дозах) около 3,0 т/га, что в 1,5 раза больше, чем в варианте без применения удобрений.

При улучшении водообеспеченности (ГТК 1,0-1,5) эффективность минеральных удобрений повышается. Так, за счет дополнительного внесения азота под ячмень урожайность может доходить до 4,84–6,63 т/га (на примере с аммиачной селитрой). Разница по сравнению с засушливым периодом составляет 1,92–2,76 т/га, в то время как на РК фоне – 1,58–2,34 т/га, еще меньше на абсолютном контроле – 0,9–1,9 т/га, то есть с улучшением водного режима почвы отзывчивость яровых зерновых на азот, выражающаяся в количественном увеличении элементов продуктивности, усиливается.

Решающим мероприятием по регулированию питания культурных растений, а значит, их устойчивости к почвенной засухе является применение удобрений. Данные табл. 7 в какой-то мере позволяют судить о технологическом уровне возделывания ячменя, в котором ведущее место занимают минеральные удобрения. Именно оптимизация питания способствует повышению физиологического гомеостаза. Это доказывается последующими расчетами. Для этого проанализированы в динамике урожайные данные яровых зерновых культур в некоторых районах Рязанской области и их отзывчивость на гидротермические условия вегетации на разных фонах обеспечения минеральными удобрениями (табл. 7).

Большое значение в борьбе с засухой принадлежит естественному плодородию почвы. В нашем случае серые лесные почвы считаются более плодородными, чем дерново-подзолистые. Для убедительности данного тезиса сравним среднюю урожайность зерна в Кадомском районе (рис. 4) и Сараевском. В последнем в умеренную засуху продуктивность зерна в хозяйствах была более высокой – 1,5 т/га (7-й уровень, рис. 4) при меньшем внесении минеральных удобрений.

Рис. 2. Зависимость урожайности ячменя (ось Y) от гидротермических условий (ось X) в зависимости от использования удобрений

Таблица 7

Средняя доза удобрений и средняя урожайность зерна яровых культур в некоторых районах Рязанской области за 1975–1988 гг.

Без удобрений Фон PK

PK + Nаа

Рис. 3. Урожайность ячменя и частота ее встречаемости в зависимости от вариантов опыта

В Сараевском районе при ГТК от 0 до 0,2 получение урожайности зерна – 0,8 т/га – возможно было при дозе минеральных удобрений от 30 до 50 кг/га. В Кадомском – при большем применении NPK.

При сравнении максимальной урожайности зерна в близких по почвенно-климатическим условиям Касимовском (9-й уровень, рис. 4) и Кадомском (8-й уровень, рис. 4) районах разница за счет неодинаковой обеспеченности минеральными удобрениями (табл. 7) составила около 0,2 т/га.

Нами предприняты попытки установления степени зависимости урожайности ячменя от удобрений с учетом майских и июньских осадков (на примере Рязанского района) при 4 условиях их комбинаций. Согласно уравнениям, если осадков в указанные месяцы выпадает менее 55 мм, применение минеральных удобрений в дозе 150 кг/га обеспечивает теоретически возможную урожайность 1,6 т/га. Если июньские осадки превысят 55 мм, вероятная урожайность 1,9 т/га. Если и майских, и июньских осадков будет больше 55 мм, урожайность составит 2,2 т/га.

Известно влияние удобрений в минимизации негативного проявления засушливых условий (рис. 5). Если количество майских и июньских осадков выпадает меньше 55 мм, получение урожайности зерна в 2,0 т/га возможно при дозе минеральных удобрений 160 кг/га (1 уравнение). Если осадки превышают 55 мм, отмеченный уровень урожайности возможен при более низких дозах: в нашем случае она составила 27 кг/га (4 уравнение).

Далее нами выявлена зависимость урожайности ячменя в некоторых районах Рязанской области от доз минеральных удобрений, лежащих в интервале 0–30, 30–50 и > 50 кг/га и величиной майских осадков < 10, 10–50 и > 50 мм. Несмотря на условность выбранных исходных условий для статистической обработки, можно выявить направленность изменения урожайности при изменении основных факторов, ее определяющих. Однако не все комбинации доз удобрений и значений осадков дали достоверные результаты (отсутствуют уравнения).

Рязанский район Рыбновский район

Касимовский район Кадомский район

Сараевский район

Рис. 4. Зависимость урожайности ячменя от ГТК и удобрений в некоторых районах области

Рис. 5. Вероятностные уравнения отклика урожайности ячменя на удобрения и осадки мая и июня

Однако из тех сочетаний факторов, которые оказались достоверными, обнаружено снижение урожайности при уменьшении дозы применяемых удобрений. Например, в Рязанском районе при дозе удобрений 100 кг/га и величине осадков, лежащей в интервале от 10 до 50 мм по модели, наиболее вероятная урожайность зерна 0,7–0,9 т/га.

При снижении дозы, соответствующей интервалу от 30 до 50 кг/га, увеличение осадков не компенсирует действие удобрений, так как урожайность снижается в два раза. Из уравнений (на примере данных по Сараевскому району) видно, что с увеличением дозы минеральных удобрений на фоне выпадения атмосферных осадков, превышающих 50 мм, повышается значение коэффициента в уравнении: при дозе < 30 кг/га он составил 0,0151 т/га, при дозах в интервале значений от 30 до 50 кг/га – 0,0186 т/га и от 50 до 100 кг/га – 0,0287 т/га. Максимальное значение коэффициента во всех проанализированных районах установлено для варианта комбинации, при которой доза удобрений превышает 100 кг/га, а майские осадки – среднемноголетнее значение 50 мм.

Выводы

Математически был подтвержден тезис о роли минеральных удобрений в борьбе с засухой. Так, при проведении полевого опыта в 2010–2015 гг. при сравнении максимальной урожайности зерна в близких по почвенно-климатическим условиям районах Рязанской области разница за счет неодинаковой обеспеченности минеральными удобрениями с учетом майских и июньских осадков составила около 0,2 т/га. Минеральные удобрения минимизируют негативное проявление засушливых условий.