Дифференцированное внесение удобрений как инновационный подход в системе точного земледелия

Введение. Основой научной системы земледелия всегда было и будет использование новейших разработок ученых. Именно благодаря их достижениям стало возможным развитие сельского хозяйства в Сибири. Опираясь на ранее накопленный опыт и используя биотехнологию в селекции, были созданы современные сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, способные не только успешно расти в условиях холодного климата, но и давать урожай соответствующего качества [1–3]. Переход на рыночную экономику поставил перед учеными новую цель и сопутствующие для ее достижения задачи. Прежде всего стал наиболее актуальным вопрос поиска путей снижения производственных затрат и уменьшения себестоимости при неизменном сохранении качества сельскохозяйственной продукции и плодородия почв [4].

Для увеличения продуктивности пашни аграрии начали использовать весь комплекс агрохимикатов, начиная от минеральных удобрений и заканчивая интегрированной системой защиты от сорняков, болезней и вредителей. В таких условиях часто происходит нарушение почвообразовательного процесса, выражаемое в ухудшении гумусного и структурно-агрегатного состояния пахотных почв [5–8]. Поэтому разработка системы точного земледелия, обеспечивающая получение экономически оправданного урожая и воспроизводство плодородия, стала актуальной не только для Сибири, но и во всем мире.

Появление новых технологий учета урожая и мониторинга плодородия пашни позволило выявить одну из проблем земледелия. Было установлено, что на разных участках одного поля формируется урожай различной величины и качества при равных дозах удобрений и единой системе обработки почвы. Причиной этого является генетическая особенность почвенного покрова Сибири, характеризующаяся неоднородным плодородием в пределах небольшого участка, многократно усиленная антропогенным фактором [9–11].

Для решения этой проблемы потребовалось не одно десятилетие, поскольку без развития космических и компьютерных технологий, постепенно проникающих в сельское хозяйство, это было сделать довольно затруднительно. В настоящее время во всех странах идет активная научная работа и внедрение разработанных технологий использования космических систем в сельском хозяйстве, и научная школа Н.В. Абрамова занимает лидирующие позиции в этом направлении.

Разрабатывая систему дифференцированного внесения удобрений на сибирских полях, ученые столкнулись с определенными проблемами, которые необходимо было детально изучить и оптимизировать систему удобрений с учетом полученных знаний в области пространственной неоднородности плодородия полей.

Цель исследований . Изучение изменения содержания нитратного азота в пахотном черноземе при использовании дифференцированного внесения удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы.

Условия и методы исследований . Черноземные почвы Северного Зауралья характеризуются крайне неустойчивым азотным режимом, который оказывает непосредственное влияние на урожайность зерновых культур [12–14]. Было принято решение провести исследование по оптимизации азотного питания. Для этого был подобран участок с содержанием подвижного фосфора и калия, достаточным для получения планируемых урожаев за счет внесения только азотных удобрений.

Исследования проводились на территории ФГУП «Учхоз», расположенного в Тюменском районе. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый, сформировавшийся на покровных суглинках. По своим морфогенетическим свойствам типичен для лесостепной зоны Зауралья. Характер вертикального распределения гумуса резко убывающий, что свойственно черноземам Западной Сибири. Содержание гумуса в пахотном слое (0–30 см) варьирует от 7,65 до 9,05 %, глубже – снижается с 4,41 до 0,72–0,54 %. Запасы гумуса в метровом слое составляют 435–440 т/га. Валовое содержание азота в пахотном слое составляет 0,43–0,44 %, в слое 30–50 см – 0,18–0,21 %, что указывает на резкую дифференциацию профиля по данному показателю. Запасы валового азота в слое 0–50 см составляют 19–20 т/га. Содержание валового фосфора в пахотном слое достигает 0,16–0,18 %, в более глубоких слоях данный показатель резко снижается. Общие запасы данного элемента питания в слое 0–50 см достигают 8,0–8,5 т/га.

Опыт предусматривал следующие варианты:

• 1.    Контроль (без внесения минеральных удобрений).

• 2.    Традиционный способ внесения средней нормы аммиачной селитры на поле из расчета на планируемую урожайность 3,0 т/га.

• 3.    Дифференцированное внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы 3,0 т/га.

• 4.    Дифференцированное внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы 4,0 т/га.

• 5.    Дифференцированное внесение минеральных удобрений на запланированную урожайность 4,0 т/га + подкормка в фазу кущения в дозе N 30 кг д.в./га.

Аналитические работы выполнялись в лаборатории кафедры почвоведения и агрохимии ГАУ Северного Зауралья согласно ГОСТам и общепринятым методикам. Содержание в почве нитратного азота определялось дисульфофеноловым методом. Статистическая обработка результатов была проведена с помощью программного продукта Microsoft Excel. Были рассчитаны: размах вариации (R) – разница между максимальными и минимальными значениями; коэффициент вариации (CV), показывающий степень неоднородности плодородия.

Основная обработка почвы проводилась осенью после уборки предшествующей культуры плугом ПН-8-35 на глубину 20–25 см. Весной, при наступлении физической спелости почвы, поле боронили в два следа зубовыми боронами 22БЗСС-1,0. Высевали яровую пшеницу в оптимальный для лесостепной зоны срок (15–20 мая) на глубину 5–6 см посевным комплексом John Deere 730, с нормой высева 6,2 млн всхожих семян на гектар.

Расчет доз минеральных удобрений проводили балансовым методом с учетом содержания элементов питания в почве перед посевом по каждому элементарному участку площадью 2 гектара. Минеральные удобрения вносились из расчёта на планируемую урожайность яровой пшеницы по элементарным участкам. Технология дифференцированного внесения минеральных удобрений по элементарным участкам подробно описана в работе Н.В. Абрамова, С.А. Семизорова и С.В. Шерстобитова [15].

Результаты исследований. Почвенный покров Северного Зауралья характеризуется пестротой и комплексностью. Причин этого довольно много, начиная от особенностей сложения почвообразующих пород и заканчивая антропогенным фактором. Почвенная неоднородность обусловлена не только различными типами, видами и разновидностями почв, но и серьезным варьированием плодородия из-за особенностей рельефа; наличия рядом с полями лесных массивов и неравномерного внесения минеральных и органических удобрений. Как показывают исследования кафедры почвоведения и агрохимии, практически на любом поле можно встретить участки с низким или, наоборот, очень высоким содержанием гумуса и питательных веществ.

Перед закладкой опыта был проведен анализ элементарных участков по содержанию нитратного азота. Как показали исследования, стационар характеризовался очень высокой степенью неоднородности по содержанию нитратного азота – коэффициент вариации составил 26 % (рис.).

Содержание нитратного азота в слое 0–40 см пахотного чернозема выщелоченного перед внесением удобрений, мг/кг почвы

Минимальное содержание было отмечено на участке № 11 – 7,3 мг/кг почвы, максимальное (19,5 мг/кг почвы) – на участке № 20. Учитывая, что в условиях Северного Зауралья азот находится в первом минимуме, столь большой разброс значений его содержания приведет к формированию урожая зерновых культур на элементарных участках, отличающегося от средней величины по полю и неравномерному созреванию.

Перед посевом яровой пшеницы среднее содержание нитратного азота на контроле составило 14 мг/кг почвы. Были зарегистрированы минимум и максимум (соответственно 11 и 16 мг/кг почвы), размах вариации составил 5 мг (табл.1). Степень варьирования содержания нитратного азота на контроле перед посевом яровой пшеницы составляла 17 %, что соответствовало среднему уровню пространственной неоднородности. Аналогичным контролю по содержанию нитратов оказался вариант, где планировалось внесение удобрений на урожайность яровой пшеницы 3,0 т/га. Несмотря на одинаковые значения минимума и максимума, коэффициент вариации также соответствовал средней степени варьирования.

На участке, где планировалось внесение минеральных удобрений дифференцированным способом на планируемую урожайность 3,0 т/га, почвенная неоднородность по нитратному азоту была максимальной в опыте – коэффициент вариации составил 35 %, а размах варьирования достигал 9 мг/кг почвы. Среднее содержание нитратов составляло 11 мг/кг почвы. Столь сильные отклонения от средней величины являются наиболее интересными, поскольку именно этот вариант по рабочей гипотезе должен оказаться выравненным по минеральному питанию за счет внесения удобрений.

Вариант, где будут вноситься удобрения дифференцированным способом на планируемую урожайность 4,0 т/га, оказался с минимальными отклонениями – размах вариации составил 3 мг, а коэффициент вариации 7 %, что соответствовало незначительной вариации. Этот же вариант соответствовал высокой степени обеспеченности нитратами. На аналогичном варианте, где дополнительно будет проведена подкормка (вариант № 5), среднее содержание нитратов в слое 0–40 см составило 11 мг/кг почвы. Разница между минимумом и максимумом составила 7 мг при коэффициенте вариации 26 %, что указывает на значительную степень почвенной неоднородности по нитратному азоту.

Таблица 1

Статистический анализ почвенной неоднородности по нитратному азоту в слое 0–40 см чернозема выщелоченного

Вариант	Перед посевом			Кущение			Перед уборкой
	Хср.	R	СV	Хср.	R	СV	Хср.	R	СV
Контроль (без удобрений)	14	5	17	9	10	54	8	5	27
Традиционный способ (средняя доза по варианту)	14	6	19	10	17	69	11	8	38
Дифференцированный на планируемую урожайность 3,0 т/га	11	9	35	12	7	25	11	2	9
Дифференцированный на планируемую урожайность 4,0 т/га	18	3	7	13	11	34	14	8	23
Дифференцированный на планируемую урожайность 4,0 т/га подкормка	11	7	26	11	12	52	15	10	30

Примечание. Хср. – среднее содержание подвижного фосфора по варианту, мг/кг; R – размах вариации, мг/кг; CV – коэффициент вариации,%.

После расчета необходимых для получения планируемой урожайности 3,0 и 4,0 т/га питательных веществ на каждом элементарном участке были внесены в соответствующих дозах минеральные удобрения. К моменту кущения яровой пшеницы содержание нитратного азота изменилось. На контроле средняя величина содержания N-NO 3 уменьшилась до 9,0 мг/кг почвы. Минимальные и максимальные значения по элементарным участкам составили 6 и 17 мг при размахе вариации 10 мг/кг почвы. Коэффициент изменчивости с момента посева до кущения увеличился более чем в три раза и достиг 54 %. Столь сильное изменение содержания нитратов на варианте, где минеральные удобрения не вносились, объясняется различными условиями нитрификации вследствие изменчивости рельефа, влияющего на прогревание и увлажнение почвы. Также, по данным учхоза, часть элементарных участков оказалась на территории, где вносились органические удобрения. Такое значительное варьирование является убедительным доказательством проявления почвенной неоднородности полей Зауралья, сформировавшейся за счет природных и антропогенных факторов почвообразования.

Внесение минеральных удобрений, рассчитанных по усредненному содержанию нитратов на планируемую урожайность 3,0 т/га (2-й вариант), привело к ухудшению ситуации. Минимальное и максимальное содержание нитратов в кущение яровой пшеницы составило 4 и 21 мг/кг соответственно – размах вариации увеличился почти в три раза, достигнув 17 мг/кг почвы. Столь серьезное увеличение объясняется совокупностью стимулирующего действия азотных удобрений на почвенную микрофлору и природных факторов, влияющих на перераспределение нитратов в почве. Коэффициент вариации увеличился до 69 %, что соответствовало проявлению значительной неоднородности почвы по обеспеченности ее нитратами. Столь существенное изменение не могло не оказать влияния на формирование урожая яровой пшеницы, серьезно отличающегося по элементарным участкам.

Внесение удобрений на ту же планируемую урожайность пшеницы (3,0 т/га), но уже с учетом содержания в почве нитратов на каждом элементарном участке (3-й вариант), оказало благоприятное влияние на выравненность поля по азоту. Разница между минимумом и максимумом его содержания составила 25 мг/кг, что почти в три раза ниже варианта, где вносились удобрения традиционным способом. Среднее содержание нитратов по варианту составило

12 мг/кг. Отсутствие разницы относительно значений перед посевом обусловлено частичным потреблением азота растениями яровой пшеницы и перераспределением дозы удобрений по элементарным участкам. Этот вариант убедительно доказывает эффективность применения дифференцированного внесения удобрений, обеспечивающего выравнивание поля по нитратному азоту, поскольку коэффициент вариации уменьшился с 35 до 25 %. При отработке технологии можно будет добиться еще большей выравненности полей по плодородию и, соответственно, по урожайности зерновых культур.

Повышение дозы удобрений, обеспечивающей получение планируемой урожайности 4,0 т/га зерна, привело к несколько неожиданным результатам - эффект был диаметрально противоположным относительно предыдущего варианта. Прежде всего, это выражалось увеличением размаха вариации по содержанию нитратов в почве с 3 до 11 мг/кг. Ранее выравненный по нитратному азоту участок к моменту кущения оказался совершенно неоднородным после внесения удобрений - коэффициент вариации достиг 34 %, что почти в 5 раз выше предыдущего значения. Столь сильный эффект обусловлен усилением микробиологической активности под действием высоких доз удобрений на отдельных элементарных участках, способствующей накоплению дополнительного азота текущей нитрификации. На отдельных элементарных участках доза азотных удобрений составляла 15 кг д.в./га, тогда как на других она была выше в несколько раз. Также нужно помнить, что на стационаре ранее вносился навоз, усиливающий различие почвенного плодородия, поэтому использование на таких участках высоких доз азотных удобрений может спровоцировать усиление минерализации органического вещества, влияющей на нитратный режим почвы.

Дробление нормы удобрений на основную дозу и подкормку (5-й вариант) не привело к вы-равниваниею поля по доступному для растений азоту. Несмотря на то, что размах вариации относительно предыдущего варианта увеличился незначительно (с 7 до 12 мг/кг), коэффициент вариации был сопоставим с контролем - 52 %, что переводило вариант в категорию сильно неоднородных полей по почвенному плодородию.

К уборке яровой пшеницы среднее содержание нитратного азота по вариантам не претерпело серьезного изменения. На контроле этот показатель составил 8 мг с отклонениями от 5 до 11 мг/кг почвы. Размах и коэффициент вариации уменьшились в 2 раза относительно фазы кущения, достигнув 5 мг/кг и 27 % соответственно. Это по-прежнему характеризовало поле по плодородию как неоднородное. На варианте с традиционным внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га уменьшение показателей неоднородности поля было сопоставимо с контролем - коэффициент вариации снизился с 69 до 38 %, диапазон крайних значений был от 7 до 16 мг/кг почвы. Частичное выравнивание поля по содержанию нитратного азота обусловлено его потреблением яровой пшеницей.

Дифференцированное внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна оказало благоприятное влияние на выравненность поля в конце вегетации - коэффициент вариации был минимален по всем вариантам и составил 9 %, что соответствовало незначительной почвенной неоднородности по нитратному азоту. Размах вариации уменьшился до 2 мг/кг почвы.

Варианты с дифференцированным внесением удобрений на 4,0 т/га, благодаря формированию более высоких урожаев по элементарным участкам, также уменьшили свои статистические показатели пространственной неоднородности плодородия - коэффициент вариации составил 23 и 30 % соответственно. Необходимо учитывать факт того, что уменьшение было относительно фазы кущения. Если же сравнивать с тем, что было перед внесением удобрений, то эффективность дифференцированного внесения удобрений на планируемую урожайность 4,0 тонны остается весьма сомнительной.

Причину этого мы видим в недостаточной информативности содержания нитратного азота в ту или иную фазу развития зерновых культур. Как показали ранее проведенные исследования Ю.И. Ермохина и его учеников, содержание нитратов в почве не отражает полной картины азотного режима почв, особенно в Западной Сибири. Причинами этого являются неустойчивый температурный режим, влияющий на активность почвенной микрофлоры, а также пе-

Сельскохозяйственные науки риодически промывной тип водного режима, вызывающий миграционные процессы нитратов по почвенному профилю. Также нужно учитывать и стимулирующее действие минеральных удобрений на почвенную микрофлору, особенно на низко обеспеченных нитратным азотом элементарных участках, поскольку именно там будет проявляться максимальный стимулирующий эффект.

Наличие величины отклонения урожайности сельскохозяйственных культур от средних значений является убедительным доказательством почвенной неоднородности наших полей. Положительный эффект дифференцированного внесения удобрений должен проявиться в выравнивании урожайности по элементарным участкам. Для этого мы провели статистический анализ урожайности яровой пшеницы. Отсутствие удобрений позволило получить нам среднюю по варианту урожайность яровой пшеницы 2,85 т/га. Этот урожай формировался непосредственно за счет естественного азота текущей нитрификации, величина которого варьирует в пределах от 40 до 100 кг/га на черноземных почвах Северного Зауралья [16]. Анализ по элементарным участкам показал, что урожайность яровой пшеницы варьирует в пределах от 2,40 до 3,10 т/га (табл. 2). Коэффициент неоднородности составляет 10,9 %, что соответствует средней степени варьирования. Внесение удобрений традиционным способом (средняя доза по полю) на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна привело к повышению сбора зерна в среднем до 4,53 т/га, а на отдельных элементарных участках достигала 4,9 тонн. Столь сильное отклонение от «плана» обусловлено тем, что расчет проводился без учета почвенной неоднородности и потенциального плодородия каждого элементарного участка. Также нельзя отбрасывать эффект завышенной дозы, поскольку отсутствуют правильно подобранные коэффициенты использования питательных веществ из почвы и удобрений. Доказательством является получение минимальной урожайности 3,8 т/га, что превышает более чем на 25 % ожидаемый урожай. Коэффициент вариации урожайности на варианте № 2 не отличался от контроля.

Таблица 2

Статистический анализ урожайности яровой пшеницы при использовании дифференцированного внесения минеральных удобрений

Вариант	Урожайность, т/га			Коэффициент вариации,%	Размах вариации, т/га
	Минимум	Максимум	Среднее
Контроль (без удобрений)	2,40	3,10	2,85	10,9	0,7
Традиционный способ (средняя доза по варианту)	3,80	4,90	4,53	11,0	1,1
Дифференцированный на планируемую урожайность 3,0 т/га	3,00	4,60	3,83	19,6	1,6
Дифференцированный на планируемую урожайность 4,0 т/га	3,10	3,90	3,64	8,6	0,8
Дифференцированный на планируемую урожайность 4,0 т/га, подкормка	3,00	3,90	3,23	17,2	0,9

Дифференцированное внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га привело к уменьшению сбора зерна. Средняя урожайность составила 3,83 т/га, что на 15 % меньше варианта с традиционным способом внесения удобрений. Однако ожидаемого эффекта выравни- вания мы не обнаружили – урожайность по элементарным участкам была в пределах от 3,0 до 4,6 т/га при коэффициенте вариации 19,6 %, что соответствует средней степени неоднородности. Причиной этого является отсутствие полной информации по азотному режиму и содержанию почвенного органического вещества элементарных участков, которая могла бы оптимизировать систему удобрений при переходе на точное земледелие.

Повышение дозы минеральных удобрений должно положительно отразиться на урожайности сельскохозяйственных культур. Однако в нашем опыте на варианте, где вносились удобрения на 4,0 т/га зерна, фактический сбор в среднем по полю составил 3,64 тонны, что на 5 % меньше предыдущего варианта. Как показал анализ урожайности по элементарным участкам, основные значения урожайности были смещены в сторону максимума и составляли 3,7–3,9 т/га, однако наличие участка с минимальным сбором зерна (3,1 т/га) на поле с дифференцированным внесением удобрений привело к снижению средней величины урожая. Этот вариант характеризовался минимальным размахом вариации (0,8 т/га) и коэффициентом неоднородности 8,6 %, что соответствует незначительной степени варьирования урожайности. Дробление нормы удобрений (5-й вариант) неблагоприятно отразилось на урожайности яровой пшеницы: в среднем по варианту она составила 3,23 т/га с диапазоном крайних значений от 3,00 до 3,90 т/га. Несмотря на незначительный размах варьирования, урожайность в целом по полю характеризовалась как значительно изменяющаяся (CV=17,2%). Этот вариант убедительно доказывает о необходимости кардинального пересмотра подходов при разработке системы удобрений для точного земледелия.

Выводы

• 1.    Черноземные почвы Северного Зауралья характеризуются пространственной неоднородностью плодородия и неустойчивым азотным режимом. Содержание нитратного азота в слое 0–40 см в весенний период изменяется в пределах 7–20 мг/кг почвы при коэффициенте варьирования 26 %, что соответствует значительной степени неоднородности. К моменту

• 2.    Внесение усредненной дозы удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна яровой пшеницы увеличивает неоднородность поля по содержанию азота нитратов – коэффициент вариации к моменту кущения возрастает с 19 до 69 %.

• 3.    Дифференцированное внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна по элементарным участкам способствует формированию поля с выравненным содержанием нитратного азота в течение всей вегетации. Коэффициент пространственной неоднородности к моменту кущения уменьшился с 35 до 25 %, а к уборке зерновых достиг минимальных значений по опыту – 9 %, что соответствовало незначительному варьированию.

• 4.    Внесение повышенных доз азотных удобрений дифференцированным способом на планируемую урожайность 4,0 т/га не оказало положительного влияния на выравнивание поля по содержанию нитратного азота. Коэффициент вариации в период от посева до кущения увеличился почти в 5 раз, достигнув 34 %. К уборке этот показатель уменьшился до 23 %. Дробление нормы удобрений на основную дозу и подкормку уменьшило негативный эффект в начале вегетации (коэффициент варьирования увеличился с 26 до 52%), но подкормка в дальнейшем препятствовала формированию однородного по плодородию поля.

• 5.    Средняя урожайность яровой пшеницы на варианте без минеральных удобрений составила 2,85 т/га при варьировании от 2,4 до 3,1 т/га. Коэффициент вариации урожая составил 10,9 %, что соответствовало средней степени изменения. Внесение удобрений традиционным способом не оказало влияния на выравненность урожая по элементарным участкам, коэффициент вариации был сопоставим с контролем. Дифференцированное внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га не оправдало ожиданий – поле характеризовалось значительной неоднородностью по сбору зерна на элементарных участках. Увеличение дозы удобрений, обеспечивающих формирование 4,0 т/га на каждом элементарном участке, обеспечило получение зерна от 3,1 до 3,90 т/га. Коэффициент

• 6.    Для оптимизации системы дифференцированного внесения минеральных удобрений использование только данных по содержанию нитратного азота явно недостаточно, необходимо учитывать такие показатели, как содержание легкогидролизуемого азота, текущая нитрификация и показатели, стимулирующие действие азотных удобрений на микробиологическую активность почвенной микрофлоры.

кущения коэффициент вариации содержания нитратов возрастает до 54 % при размахе вариации 9 мг/кг.

вариации был минимальным в опыте и составил 8,6 %.