Внутрипольная и временная вариабельность нитратного азота на полях Западной Сибири

Введение. В современном сельском хозяйстве, наряду с появлением новых сортов растений и способов их выращивания, активно внедряются цифровые технологии, способные оптимизировать производственные процессы на физикоматематической основе [1–4]. Переход на точное земледелие требует определенной степени подготовленности предприятия перед тем, как будут внедрены космические технологии геопозиционирования техники на полях, дифференцированное внесение удобрений и автоматизированная система защиты растений [5, 6]. Первым шагом в точном земледелии является сбор данных, которые станут основой производственного процесса. Поскольку в сельском хозяйстве основным средством производства является земля, то ее необходимо изучить, а затем оцифровать с особой тщательностью [7, 8].

Существующие почвенные карты административных районов для оцифровки полей не подходят по причине низкой точности и отсутствия информации в них о почвенной неоднородности. Это необходимо учитывать при оцифровке полей. Обычно при проведении данной операции довольствуются только установлением границы поля и землепользования хозяйства. Но этой информации недостаточно для разработки системы дифференцированного внесения удобрений и картирования урожайности, по- скольку в ней неучтена внутрипольная вариабельность агрохимических, агрофизических и физико-химических свойств почв [9, 10].

Неоднородность полей часто имеет антропогенные причины. Систематическое внесение органических удобрений на разные участки поля, несоблюдение доз минеральных удобрений, высев разных сортов зерновых культур и многое другое приводят к формированию участков на поле с высоким или низким содержанием питательных веществ и гумуса [11–14]. В настоящее время делаются попытки получить детальную информацию о поле путем разбивки его на элементарные участки площадью от 1 до 20 га [15].

Создаются электронные базы данных по содержанию питательных веществ и кислотнощелочной характеристике участков и на основе этой информации проводится планирование хозяйственной деятельности предприятия. Однако, как показала практика, данный подход имеет очень высокие материальные и временные затраты при низкой эффективности прогнозирования. Причиной этого является отсутствие информации о временном варьировании агрохимических показателей, которые изменяются в широком диапазоне в течение вегетационного периода. Применение ежегодных отборов почвы по элементарным участкам и определение в них такого показателя, как нитратный азот, су- щественно увеличивают затраты и себестоимость получаемой продукции [16]. Выходом из сложившейся ситуации, по нашему мнению, является изучение причин сильной вариабельности показателей плодородия – микропестроты почвенного покрова.

Наличие информации об имеющихся на поле почвах и их границах распространения делает возможным разработку прогнозной модели динамики агрохимических свойств с высокой степенью достоверности при минимальных затратах в будущем. Почвы и их свойства (гранулометрический состав, гумус, емкость катионного обмена, наименьшая влагоемкость) меняются во времени крайне медленно. На это уходят десятилетия, в отличие от содержания нитратного азота, который берется в основу определения планируемой урожайности и расчета доз удобрений. Содержание нитратов в почве зависит от множества факторов, поэтому в производстве приходится ежегодно определять его, что усложняет составление системы обработки на длительное время. В таком случае можно рекомендовать изучение причин высокой ва- риабельности содержания нитратов на разных участках поля и сопоставить их с более стабильными показателями плодородия в пространстве и времени.

Цель исследований . Изучение внутриполь-ной и временной вариабельности содержания нитратного азота на примере пашни ФГБУП ПЗ «Тополя».

Материалы и методы. Исследования проводили на одном из полей племзавода «Тополя», которое по агрохимической характеристике и продуктивности является типичным для лесостепной зоны Зауралья. При обследовании на поле были выявлены следующие почвы: темносерая лесная осолоделая, чернозем выщелоченный, лугово-черноземная, луговая осолоделая солодь. Все почвы относятся к тяжелосуглинистой разновидности. Нами были установлены почвенные контуры внутри поля и определены точки отбора проб для детального изучения их свойств. Площадь поля составила 120 га. На рисунке представлено соотношение почв изучаемой территории.

Структура почвенного покрова поля ФГБУП ПЗ «Тополя»

На поле используется зернопаровой севооборот с чередованием культур: горохо-овсяная смесь на зеленый корм – яровая пшеница – яровая пшеница – овес. Система основной обработки почвы – отвальная, разноглубинная. Под зерновые культуры – 20–22 см; под однолетние травы – 28–30 см. На всем поле сформирован пахотный слой глубиной 30 см без учета почвенной неоднородности. Рельеф – рав-нинно-западинный.

В период с 2018 по 2020 г. на поле минеральные и органические удобрения не вносили. Формирование нитратного режима шло за счет растительных остатков, гумуса и почвенной микрофлоры.

Отбор почвенных проб проводили тростевым агрохимическим буром на глубину пахотного слоя. Ежемесячно с мая по сентябрь равномерно по каждому контуру почвы отбирали по 10 усредненных проб. Для составления усредненной пробы делалось по 10 проколов почвы с последующим объединением в один почвенный образец. Нитратный азот определяли ионометрическим способом (ГОСТ 26951-86). Статистическую обработку результатов вели в MS Excel с надстройкой «AgCStat» [17]. Степень варьирования (Cv, %) определяли по методике В.И. Савича [18].

Результаты исследований и их обсуждение. Агрохимический анализ почв установил варьирование нитратного азота в пахотном слое в пространстве и во времени. Перед посевом зерновых культур (май) на основной площади поля, которое занимает темно-серая лесная почва, содержание нитратов было 6,5±1,7 мг/кг, что соответствовало низкой обеспеченности для зерновых культур. На черноземе выщелоченном и лугово-черноземной почве были отмечены максимальные значения – 7,9 и 8,2 мг/кг соответственно. Несмотря на то что луговые почвы стоят в одном ряду с черноземами, содержание нитратов в них весной существенно ниже. Причиной этого является близость к поверхности грунтовых вод, оказывающих неблагоприятное влияние на микробиологическую активность пахотного горизонта. Наши исследования показали, что на участке, где была луговая почва, содержание нитратов в мае составило 5,3±1,6 мг/кг.

Минимальные запасы нитратов (3,8±0,6 мг/кг) были на солоди, которая существенно отличалась по химическим и физико-химическим свойствам от вышеуказанных почв. Столь низкое содержание обусловлено рядом факторов: отсутствие гумуса в пахотном слое, промывной тип водного режима, постоянное переувлажнение.

На содержание нитратов в почве в июне и июле влияют биотические и абиотические факторы. С одной стороны, почва постепенно прогревается, что положительно сказывается на нитрифицирующей микрофлоре. Запасы нитратного азота в пахотном слое возрастают. В то же время сельскохозяйственные культуры активно поглощают азот из почвы, снижая его содержание.

Июнь характеризуется достоверным повышением нитратного азота только в солоди. На остальных почвах внутри поля изменения были недостоверными. К июлю произошло понижение содержания нитратов в слое 0–30 см. Максимальное уменьшение было на луговочерноземной почве, где содержание нитратов составило 4,9±0,5 мг/кг. Необходимо отметить, что в луговой почве после прогрева пахотного слоя содержание нитратов возросло с 5,7 до 7,0 мг/кг (табл. 1).

Таблица 1

Динамика нитратного азота под зерновыми культурами в слое 0–30 см (2018–2020 гг.) , мг/кг

Почва	Месяц
	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
Темно-серая лесная	6,5±1,7	7,4±1,6	6,1±1,8	4,4±1,0	4,1±1,2
Чернозем выщелоченный	7,9±2,7	7,0±1,4	6,0±0,9	4,5±0,6	4,2±0,8
Лугово-черноземная	8,2±1,2	7,6±0,9	4,9±0,5	4,8±1,0	5,0±0,8
Луговая осолоделая	5,3±1,6	5,7±1,0	7,0±2,3	5,6±0,8	3,8±0,8
Солодь	3,8±0,6	4,7±1,2	2,9±0,6	3,9±1,1	2,9±0,8
НСР 05	0,4	0,6	0,6	0,5	0,4

В августе зерновые культуры, которые высевали на изучаемом поле, в меньшей степени поглощали питательные вещества из почвы. Однако и микробиологическая активность в конце лета снизилась, что обусловлено неблагоприятными условиями увлажнения в этот период и дефицитом растительных остатков в почве [19, 20]. Все почвы, представленные на поле, кроме луговой, характеризовались минимальным содержанием азота – 3,9–4,8 мг/кг. В слое 0–30 см луговой почвы запасы нитратов составили 5,6±0,8 мг/кг. Данная почва изначально характеризуется бла- гоприятным водным режимом во второй половине лета и прогревом пахотного слоя до оптимальных температур для микробиоты.

В сентябре, после уборки зерновых культур, процессы трансформации и миграции азота в почве не останавливаются. Их движение преимущественно направлено в глубь почвы с нисходящими токами воды. В этот месяц содержание нитратного азота варьировало от 2,9 (со-лодь) до 5,0 мг/кг (лугово-черноземная). Таким образом, на основе мониторинга почв, встречающихся в пределах одного поля, выявлено варьирование нитратного азота в пахотном слое на протяжении вегетационного периода (май-сентябрь).

Для выявления степени проявления внутри-польной вариабельности содержания нитратов были рассчитаны коэффициенты вариации, представленные в таблице 2. Максимальным варьированием характеризовалась темно-серая лесная почва. Коэффициент вариации нитратов изменялся в пределах от 11 (июнь) до 38 % (июль), что соответствует среднему уровню варьирования [18]. Чернозем выщелоченный в весенний период имел небольшое варьирование (Cv=17 %), что сопоставимо с темно-серой лесной почвой. Но в отличие от нее степень изменения в июле и августе была незначительной – 7 %. Лугово-черноземные и луговые осолоделые почвы характеризовались минимальной внутри-польной вариабельностью содержания нитратов. Коэффициент варьирования был в диапазоне от 3 до 8 % в весенне-летний период. В сентябре данный показатель незначительно возрос, достигнув 13 % (небольшая степень варьирования).

Вариабельность содержания нитратов в солоди имеет свои особенности. В мае, августе и сентябре она соответствует незначительной изменчивости (2–5 %). В период активного роста зерновых культур (июнь, июль) коэффициент вариации увеличился до 11 и 17 % соответственно. Таким образом, в ходе статистического анализа был установлен уровень варьирования содержания нитратов в границах одного поля по каждому типу почв, наиболее часто встречающихся в пашне Западной Сибири.

Таблица 2

Внутрипольная вариабельность (Cv) содержания нитратов в слое 0–30 см, %

Почва	Месяц
	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
Темно-серая лесная	19	11	38	19	16
Чернозем выщелоченный	17	18	7	7	14
Лугово-черноземная	4	7	3	8	13
Луговая осолоделая	6	3	6	4	9
Солодь	4	17	11	5	2

Широкий диапазон вариабельности содержания нитратов в предпосевной и послеуборочный периоды является теоретическим обоснованием необходимости разработки дифференцированного применения удобрений индивидуально для каждого поля [21]. За годы исследований на поле не вносили минеральные удоб- рения, а коэффициент вариации в период вегетации растений изменялся по полю от 3 до 38 %. Это доказывает, что система дифференцированного внесения удобрений по элементарным участкам, в основе которой лежит определение исходного содержания нитратов весной или осенью, будет неэффективна.

Таблица 3

Результаты трехфакторного дисперсионного анализа внутрипольной неоднородности содержания нитратного азота в слое 0–30 см пашни

Источник вариации	Сумма квадратов	Степень свободы	Дисперсия	F факт	F теор.	Показатель силы влияния %
Почва (фактор А)	596,5	4	149,1	173,7	2,4	21
Годы (фактор B)	119,9	2	60,0	69,8	3,0	4
Месяцы (фактор C)	693,3	4	173,3	201,9	2,4	24
Взаимодействие АB	40,0	8	5,0	5,8	2,0	1
AC	418,0	16	26,1	30,4	1,7	15
BC	150,0	8	18,7	21,8	2,0	5
ABC	254,3	32	7,9	9,3	1,4	9

Проведя дисперсионный анализ, мы установили роль отдельных факторов, влияющих на степень варьирования содержания нитратного азота. Расчеты показали, что внутрипольное варьирование существенно зависит от типа почв – показатель силы влияния (ПСВ) составил 21 %. Годы оказывают влияние в минимальной степени – 4 %, тогда как вариабельность содержания нитратов в почве существенно зависит от месяца – ПСВ составил 24 %.

Заключение. На основании лабораторнополевых опытов и статистической обработки данных были сделаны следующие выводы.

• 1.    Поля лесостепной зоны Западной Сибири характеризуются почвенной микропестротой. Нитратный режим почв в границах одного поля зависит от многих факторов, которые не учитываются при разработке системы удобрений. Коэффициент вариации содержания нитратного азота изменяется в пределах от 2 до 38 % в зависимости от типа почв, что делает малоэффективной систему дифференцированного внесения удобрений, в основе которой лежит определение исходного содержания нитратов по элементарным участкам в предпосевной или послеуборочный период.

• 2.    Расчет показателя силы влияния отдельных факторов показывает, что вариабельность и динамика нитратного азота в пахотном слое на 21 % зависят от типа почвы; на 24 % – от погодных условий вегетационного периода и лишь на 4 % – от климатических особенностй года.

• 3.    Исходя из полученных данных, предлагается заложить в основу расчета доз для дифференцированного внесения удобрений более стабильные показатели, чем нитратный азот, например содержание легкогидролизуемого азота или гумуса.

• 4.    Для устранения внутрипольной неоднородности в течение вегетации (июнь-август) предлагается предусмотреть систему внекорневых подкормок.