Оптимизация минерального питания рапса и сурепицы на лугово-черноземной почве Западной Сибири

Увеличение производства растительного масла и белка – одна из актуальных проблем в стране. К числу ведущих ценных белково-масличных культур относят рапс и сурепицу. Их широко используют в пищевой и технической промышленности, особое место они занимают в кормопроизводстве [1; 2; 12].

Исследованиями И.Ф. Мосолова установлено, что формирование урожая сельскохозяйственных культур зависит от многих факторов, в том числе от оптимального содержания и доступности питательных элементов в почве [3]. Только при достаточности и сбалансированности всех необходимых элементов питания растение может давать высокий урожай [2–7]. Основными агротехническими приемами повышения продуктивности сельскохозяйственных культур являются научно обоснованное применение минеральных удобрений и севообороты [7–11].

Применение удобрений должно быть основано на использовании почвенной и растительной диагностики растений [3; 5; 6; 8].

Цель: разработать научно обоснованную систему удобрений на основе методов полевого опыта и почвенно-растительной диагностики, позволяющей получать высокие, устойчивые урожаи семян рапса и сурепицы хорошего качества в условиях лесостепи Западной Сибири.

В задачи исследований входило:

• –    установить зависимости, связывающие урожайность и качество семян рапса и сурепицы с количеством применяемых удобрений в условиях Западной Сибири;

• –    определить нормативные показатели химического состава растений рапса и сурепицы, коэффициенты интенсивности действия удобрений на химический состав растений, коэффициенты использования из почвы (КИП) и удобрений (КИУ). На основе полученных показателей разработать комплексную систему диагностики минерального питания и качества рапса и сурепицы при интенсивных технологиях их возделывания;

• –    дать сравнительную оценку отзывчивости сортов рапса и сурепицы на минеральные удобрения.

Объекты и методы исследований

Для решения поставленных задач были заложены опыты на лугово-черноземной маломощной малогумусовой тяжелосуглинистой почве с содержанием гумуса – 6,2– 6,4%, валового азота – 0,32–0,34%, валового фосфора – 0,19–0,21%, нитратного азота – 2,4–5,7 мг/кг, подвижного фосфора (по Чирикову) – 9,6–10,8, обменного калия (по Масловой) – 48,0–63,8 мг/100 г почвы; рН солевой – 6,6–6,8.

Многофакторный опыт заложен по методике ВИУА и включает 16 вариантов, представляющих выборку из 64 вариантов (4 х 4 х 4) полной факториальной схемы. Дозы элементов питания: 0, 30, 60, 90 кг д.в./га.

В опытах высевали районированные сорта рапса Кубанский и сурепицы Тобин. Предшественник – пшеница по пару. Площадь делянки – 45 м². Повторность – 3–4-кратная. Агротехника в опытах общепринятая для лесостепи Западной Сибири. Использование азота растениями рапса определяли в мелкоделяночных опытах с применением стабильного изотопа 15N. В полевых опытах наблюдали за динамикой нарастания вегетативной массы, режимом влаги и питательных элементов в почве.

Влажность и химический состав почвы и растений устанавливали, используя стандартные методы, изотопный состав азота – на масс-спектрометре МИ-1309 (ИПА, Новосибирск), содержание глюкозиналатов и жирнокислотного состава масел – в лаборатории физиологии и биохимии СибНИИСХ.

Математический анализ экспериментальных данных проводился дисперсионным, корреляционным и регрессионным методами с применением математической модели с целыми и половинными степенями по N, P, K и половинными степенями по парным взаимодействиям (Э. Хеди, Д. Дилон, 1963).

Y = A 0 + A 1 N⁰⁵ + A 2 N + A 3 P⁰⁵ + A 4 P + A 5 K⁰⁵ + A 6 K + A 7 (NP)⁰⁵ + A 8 (NK)⁰⁵ + A 9 (PK)⁰⁵, где Y – зависимая переменная, характеризующая урожай и другие показатели при разных дозах N, P, K; А 0 – свободный член; А 1, А 2 и т.д. – коэффициенты регрессии. Числовые значения коэффициентов уравнения вычисляли методом наименьших квадратов на ЭВМ «Мир» в лаборатории математических методов ВИУА.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследованиями установлено, что накопление биомассы изучаемыми культурами продолжается до фазы молочной спелости. Наибольший прирост сухого вещества приходится на период от начала цветения до молочной спелости.

В результате выяснена зависимость накопления надземной массы растений рапса и сурепицы в различные фазы от доз и соотношений минеральных удобрений в среднем за 1984–1986 гг. (уравнения (1)–(4).

Биомасса:

рапса в фазу бутонизации

Y = 1,64 + 0,276N05 + 0,097P05; r = 0,899                      (1)

сурепицы в фазу бутонизации

Y = 0,73 + 0,10N + 0,126P05; r = 0,969                      (2)

рапса в фазу цветения

Y = 3,22 + 0,463N05+ 0,476P05 – 0,136(PK)05; r = 0,951               (3)

сурепицы в фазу цветения

Y = 1,86 = 0,464N + 0,247P , r = 0,980                     (4)

где Y – урожай сухого вещества, т/га; N, P, K – дозы удобрений; r – корреляционный коэффициент.

На прирост зеленой массы рапса и сурепицы основное влияние оказывали азотные и фосфорные удобрения. Калийные удобрения были малоэффективны.

На основе проведенных исследований установлена тесная взаимосвязь между накоплением надземной массы и урожаем семян (табл. 1).

Таблица 1

Корреляция между массой сухого вещества растений и урожаем семян рапса и сурепицы

Фаза развития	Год исследования			В среднем за 3 года
	2008        \	2009        \	2010
Рапс
Бутонизация	0,900 + 0,076	0,819 + 0,153	0,705 + 0,189	0,920 + 0,64
Цветение	0,810 + 0,156	0,871 + 0,129	0,942 + 0,049	0,975 + 0,119
Сурепица
Бутонизация	0,858 + 0,137	0,928 + 0,069	0,759 + 0,174	0,859 + 0,137
Цветение	0,879 + 0,127	0,940 + 0,051	0,756 + 0,175	0,929 + 0,068

Увеличение накопления биомассы под действием минеральных удобрений обеспечивает получение более высокого урожая рапса и сурепицы. В связи с этим улучшение условий питания растений в ранние фазы на основе научно обоснованного применения удобрений способствует повышению урожайности их семян.

По данным исследований структуры: определяющий фактор повышения урожая рапса и сурепицы – образование числа стручков на одном растении (r = 0,939–0,945). У сочетания азотно-фосфорных удобрений существенное и, как правило, положительное влияние на структуру урожая. Следовательно, применяя оптимальные дозы и сочетания минеральных удобрений, можно влиять на рост и развитие растений, изменять структуру урожая в нужном направлении, за счет этого получать максимально возможные урожаи семян рапса и сурепицы.

Исследования показали, что минеральные удобрения оказали высокое положительное влияние на урожайность рапса и сурепицы. Урожай семян этих культур увеличивался на 0,17–0,67 т/га, или на 1,5–44,4% (табл. 2).

Наибольший урожай получен при внесении азотных и фосфорных удобрений. Действие калия было менее значимым. Самое устойчивое по годам – внесение N 60 P 60 : семян получено в среднем по 2,8 т рапса и по 1,83 т сурепицы с гектара при урожайности на контроле по 1,51 и 1,32 т/га соответственно. Увеличение доз азотных и фосфорных удобрений до 90 кг/га не привело к росту урожая изучаемых культур.

Математический анализ подтверждает основную роль азотных и фосфорных удобрений в формировании урожая рапса и сурепицы:

Рапс

Y = 1,56 + 0,311N05 + 0,248P05 – 0,069(NP)05 – 0,07(PK)05; r = 0,913 (5) Сурепица

Y = 1,34 + 0,124N05 + 0,238P05 – 0,081(PK)05; r = 0,973 (6)

Таблица 2

Влияние минеральных удобрений на урожайность семян рапса и сурепицы (средние данные за 2008–2010 гг.)

Вариант	Рапс			Сурепица
	Урожайность, т/га	Прибавка		Урожайность, т/га	Прибавка
		т/га	%		т/га	%
Без удобрений	1,51	–	–	1,32	–	–
K 60	1,56	0,05	3,3	1,34	0,02	1,5
P 60	1,91	0,40	26,5	1,66	0,34	25,8
P 60 K 60	1,89	0,38	25,2	1,51	0,19	14,4
N 60	1,96	0,45	29,8	1,56	0,24	18,2
N 60 K 60	2,02	0,51	33,8	1,51	0,19	14,4
N 60 P 60	2,18	0,67	44,4	1,83	0,51	38,6
N 60 P 60 K 60	2,17	0,66	43,7	1,73	0,41	31,1
N 30 P 30 K 30	1,88	0,37	24,5	1,60	0,28	21,2
N 30 P 30 K 90	1,79	0,28	18,5	1,49	0,17	12,9
N 30 P 90 K 30	2,07	0,56	37,1	1,78	0,46	34,8
N 30 P 90 K 90	1,96	0,45	29,8	1,68	0,36	27,3
N 90 P 30 K 30	1,99	0,48	31,8	1,71	0,39	29,5
N 90 P 30 K 90	1,96	0,45	29,8	1,63	0,31	23,5
N 90 P 90 K 30	2,13	0,62	41,0	1,82	0,50	37,9
N 90 P 90 K 90	2,08	0,57	37,7	1,66	0,84	25,8
НСР 05	0,12			0,11

Зависимость доз удобрений от содержания элементов питания в почве можно выразить математической формулой (Ю.И. Ермохин, 1984)

Д о ∙ Х о = Д п ∙ Х п , где Д о – оптимальная доза питательных веществ удобрений в кг/га при соответствующем содержании элементов в почве перед посевом, мг/100 г (Х о ); Д п – расчетная доза удобрений в кг д.в./га, в зависимости от содержания элементов питания в почве в мг/100 г (Х п ); отсюда

Д п = (Д о ∙ Х о )/Х п , кг/га.                                 (7)

Максимальный урожай в наших опытах получен при внесении N 60 P 60 . Содержание нитратного азота в слое почвы 0–40 см за эти годы в среднем – 0,40, подвижного фосфора – 9,6 мг/100 г почвы. Подставив эти значения, получим эмпирические формулы расчета доз удобрений (кг/га):

Д азота = (60 ∙ 0,40)/Х п = 24,0/Х п ,                             (8)

Д фосфора = (60 ∙ 9,6)/Х п = 576/Х п .                           (9)

Таким образом, для получения высокого урожая семян хорошего качества при возделывании изучаемых культур на черноземных почвах лесостепи Западной Сибири следует применять азотные и фосфорные удобрения. Лучшее сочетание – N 60 P 60 : прибавка семян – от 0,5 до 0,7 т/га.

Использование предлагаемых формул в практике сельскохозяйственного производства дает возможность, задействуя данные агрохимических картограмм или химического анализа почвы, определить дозы азотных и фосфорных удобрений для основного внесения в почву.

Качество семян рапса и сурепицы. Наряду с повышением урожая рапса и сурепицы минеральные удобрения значительно повлияли на качество их семян. Ведущая роль – у азотных удобрений, причем при увеличении доз азота содержание белка в семенах, как правило, увеличивалось, а жира – уменьшалось. Это подтверждено данными регрессионного анализа:

Содержание жира, %

Рапс: Y = 42,2 – 0,60N ; r = 0,863(10)

Сурепица: Y = 43,6 – 1,10N ; r = 0,908(11)

Содержание протеина, %

Рапс: Y= 26,8 + 0,69N ; r = 0,840(12)

Сурепица: Y = 23,8 + 0,80N . r = 0,986(13)

Как показывают уравнения (10)–(13), каждые 30 кг/га азота повышают содержание белка в семенах рапса на 0,69, в семенах сурепицы – на 0,8 и снижают масличность – соответственно на 0,60 и 1,10%.

Корреляционным анализом установлено тесная обратная зависимость между накоплением жира и протеина (r = –0,985…–0,998).

На выход масла и белка основное влияние оказывали азотные и фосфорные удобрения. Действие калия было несущественным. Сбор протеина при внесении азотных удобрений увеличивался за счет повышения урожая семян и их белковости, при внесении фосфорных – только благодаря росту урожая. Наиболее высокий выход жира и протеина обеспечило внесение N 60 P 60 : соответственно 0,79 и 0,55 – с семенами рапса и 0,68 и 0,41 т/га – с семенами сурепицы.

Содержание азота, фосфора и калия в растениях рапса и сурепицы определялось уровнем минерального питания и погодными условиями. Максимальная концентрация элементов питания отмечена в фазу бутонизации. Зависимость содержания азота, фосфора и калия от удобрений в большей мере проявляется в начале вегетации. Содержание азота в растениях обусловлено в основном уровнем азотного питания. После каждого последующего внесения 30 кг д.в./га азотных удобрений повышалось содержание азота в растениях рапса на 0,48, у сурепицы – на 0,46%. Действие минеральных удобрений на поступление в растения фосфора и калия значительно слабее, чем азота.

Выявленная зависимость накопления азота, фосфора и калия растениями рапса и сурепицы дает возможность прогнозировать как их урожайность, так и химический состав. При формировании урожая семян в 2,0–2,5 т/га выносится: рапсом 180–220 кг азота, 45–55 – фосфора и 110–140 калия, сурепицей – 180–190, 40–50 и 110–140 кг соответственно. Минеральные удобрения увеличивали вынос элементов питания в 1,4–1,8 раза. Наибольшее влияние на использование изучаемыми культурами азота и калия оказывают азотные удобрения, на использование фосфора – азотные и фосфорные.

Основное количество фосфора в общем выносе приходится на долю семян, калий же отчуждался главным образом с соломой. В выносе азота доля семян и соломы примерно одинакова. На соотношение элементов питания в семенах и соломе влияют только азотные удобрения.

На основе полевых опытов, лабораторных исследований и математических расчетов установлены параметры расхода элементов питания на формирование одной тонны семян рапса и сурепицы с соответствующим количеством соломы: для рапса 77–92 – по азоту, 17–24 – по фосфору и 54–60 кг – по калию, для сурепицы – соответственно 60– 79, 17–22 и 50–67 кг, что превышает эти показатели для зерновых культур по азоту – в 2–3, по фосфору – в 2 и по калию – в 1,5–2 раза.

Регрессионный анализ показал, что потребление азота и калия при образовании 1 т семян повышалось с внесением азотных удобрений, использование фосфора увеличивалось при внесении фосфорных удобрений и уменьшалось – при внесении азотных.

По результатам исследований с изотопом 15N: рапс поглощает 40–60% внесенного под него азота удобрений (табл. 3). С улучшением условий фосфорного питания возрастает роль азотного удобрения более чем на 12%. Коэффициенты использования азо- та удобрений, рассчитанные разностным методом, на 15–38% больше, чем коэффициенты, вычисленные изотопным методом. Около половины (45–55) потребляемого рапсом азота удобрений расходуется на формирование семян, 21–32% – соломы и 21–25% – стручков.

На долю азота почвы в общем выносе приходится 84–93%. С увеличением доз вносимых азотных удобрений доля азота почвы в общем выносе снижается. Микрополевые опыты с аммиачной селитрой, меченой 15N, в разных группах показали, что азот из нитратной формы усваивается рапсом в 1,8–2,3 лучше, чем из аммонийной. При определении коэффициентов использования фосфора разностным методом зафиксировано: рапс использует 13–26% фосфора удобрений. На фоне азотных удобрений КИУ фосфора возрастали.

Таблица 3

Использование азота удобрений (15N) растениями рапса

Вариант	Урожай семян, г/м²	Вынос азота, г/м²	Экстра азот, г/м²	Азот удобрений в общем выносе, %	Коэффициент использования, %
					По разности	15N
Без удобрений	179	20,21	–	–	–	–
N 30	211	22,90	1,15	6,72	89,67	51,33
N 60	239	25,26	2,10	11,68	84,17	49,17
N 90	247	26,70	2,85	13,63	72,11	40,44
P 60	218	21,72	1,51	–	–	–
N 30 P 60	240	24,39	0,87	7,33	89,00	60,00
N 60 P 60	269	27,16	1,99	12,70	90,67	57,50
N 90 P 60	283	28,66	2,23	16,43	77,11	52,33

В настоящее время для установления оптимальных доз удобрений под различные сельскохозяйственные культуры широко используют методы растительной, почвенной и почвенно-растительной диагностики.

Метод оптимизации минерального питания рапса и сурепицы, используемый нами, основан на знании трех основных положений:

• 1)    способности почвы удовлетворять потребность растений в питательных веществах;

• 2)    потребности растений и их способности к усвоению этих веществ;

• 3)    состояния питания растений и расчета доз удобрений в период роста и развития.

На основе первых двух факторов проводят расчет доз удобрений для их основного внесения, на основании последнего – в подкормку.

Оптимальные уровни общего содержания элементов питания в целых растениях в фазу бутонизации представлены в табл. 4.

Таблица 4

Оптимальные уровни содержания элементов питания в растениях рапса и сурепицы

Урожай семян, т/га	Валовое содержание, %
	N	P                     1	K
Рапс
2,5–3,0          1	3,45–3,75	1            0,28–0,33            1	3,51–3,92
Сурепица
2,3–2,8          1	4,75–5,05	0,41–0,46          1	4,35–4,96

Формула расчета доз удобрений (кг/га) в подкормку (Ю.И. Ермохин, 1984)

Д = (Э о – Э ф )/в,                                (14)

где Д – доза удобрений в подкормку; Э о , Э ф – оптимальное и фактическое содержание элементов питания в растениях; в – количественная химическая характеристика интенсивности действия удобрений: в фазу бутонизации для рапса – 0,016, для сурепицы – 0,018.

Исследования показали, что из двух расчетных для основного внесения удобрений наиболее эффективен метод элементарного баланса (табл. 5). Суммарная прибавка урожая семян рапса в 2009 г. составила 0,79, сурепицы – 0,99 т/га. На долю подкормки приходилось около 20% от общего прироста урожая. В 2010 г. содержание общего азота в растениях – в пределах оптимального, поэтому подкормки были неэффективны.

Таблица 5

Влияние основного внесения и подкормок на урожайность рапса и сурепицы, т/га

Вариант (основное внесение)	2009 г.			2010 г.
	Без подкормки	п С подкормкой		Без подкормки	С подкормкой
Рапс
Без удобрений	2,03		2,28	2,01	2,16
N100P80 (на прибавку)	2,61		2,80	2,44	2,47
N70P70 (по балансу)	2,67		2,87	2,52	2,56
Сурепица
Без удобрений	1,78		2,00	2,14	2,26
N100P80 (на прибавку)	2,36		2,46	2,76	2,62
N 70 P 70	2,57		2,77	2,66	2,62
НСР05, т/га	0,14			0,16

Таким образом, полученные результаты убедительно свидетельствуют о возможности применения удобрений на основе химического анализа почвы и растений.

Выводы

На лугово-черноземной почве лесостепи Западной Сибири с низким содержанием азота, средним – фосфора и высоким – калия установлено высокое влияние азотно-фосфорных удобрений в дозах 60 кг/га на продуктивность рапса и сурепицы. Прибавки урожая семян рапса составили 0,67, сурепицы – 0,51 т/га. Калийные удобрения были малоэффективны.

Ощутимое воздействие минеральных удобрений на накопление биомассы рапса и сурепицы наблюдается с начала развития растений и сохраняется в течение всей вегетации. Установлена высокая зависимость урожая семян (r = 0,859–0,920) от накопления надземной массы рапса и сурепицы в фазу бутонизации. При внесении удобрений увеличиваются масса 1000 семян, количество стручков и высота растений.

На качество урожая семян рапса и сурепицы основное действие оказывают азотные удобрения. При их внесении в дозах 30–60 кг/га содержание протеина в семенах возрастает на 1,5–2,2%, жира – уменьшается на 2,1%. Между содержанием жира и протеина установлена тесная обратная корреляция (r = –0,813…–0,898).

При внесении оптимальных доз удобрений (N 60 P 60 ) под рапс и сурепицу выход жира с 1 га посева увеличивался в 1,3–1,4, протеина – в 1,5–1,6 раза.

Рассчитаны основные агрохимические показатели расхода элементов питания на образование одной тонны семян рапса и сурепицы с соответствующим количеством соломы при уровне урожая 1,61–2,65 т/га (рапс: 85–90 азота, 21–22 – фосфора и 55–60 кг – калия; сурепица: 70–80, 19–21 и 57–62 кг). На долю семян в общем выносе азота приходится 40–50%, фосфора – 60–75 и калия – менее 15%.

Исследованиями определены коэффициенты использования рапсом элементов питания из удобрений: для N – 50–60% (изотопный метод), для P2O5 – 15–20% (разностный метод). Выявлено, что из аммиачной селитры азот нитратной группы поглощается рапсом в 1,7–2,2 раза больше, чем из аммонийной. Усиление фосфатного питания при внесении суперфосфата способствует увеличению КИУ азота в 1,2–1,3 раза по сравнению с односторонним применением азотных удобрений.

Полевыми и лабораторными исследованиями установлены оптимальные уровни содержания валового азота, фосфора и калия в фазу бутонизации (рапс: N – 3,45–3,75, P – 0,28–0,33, K – 3,51–3,93; сурепица: N – 4,75–5,05, P – 0,41–046, K – 4,35–4,96%) и формулы расчета доз удобрений в подкормку, позволяющие диагностировать и корректировать условия питания в процессе роста и развития растений.

Статистическим методом рассчитаны нормативные показатели действия удобрений по потребности в элементах питания рапса и сурепицы, дающие возможность прогноза урожая и его качества от применяемых доз удобрений.

V.P. Kormin, N.V. Goman

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Optimization of mineral nutrition of rapeseed and winter cress on the meadow-chernozem soil of Western Siberia