Effect of Various Fertilizer Systems on the Productivity of Spring Wheat in a Long-Term Stationary Experiment

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основ продовольственной безопасности в России является повышение урожайности сельскохозяйственных культур, что более надежно происходит при применении минеральных удобрений. Внесение азотных и калийных удобрений в нашей стране составляет 18.5% от мирового потребления, фосфорных – 6.5% [1, 2]. Автор работы [3], показавший объемы производства и применения удобрений в РФ, указал, что уже в 2019 г. на 61% площади пашни вносили минеральные удобрения. При использовании удобрений и подборе их оптимальных доз следует учитывать их убывающую эффективность с увеличением дозы [4]. Для фосфорных удобрений необходимо учитывать последействие в последующие 2 года [5]. Экономическая эффективность удобрений возрастает, если учтено предварительное агрохимическое обследование почвы [5, 6].

Учеты и наблюдения за растениями в опытах в течение вегетации помогают объяснить особенности формирования урожайности пшеницы и качества зерна. В исследовательских работах по определению состава удобрения и их оптимальных доз большое значение придается сопутствующим наблюдениям, детализирующим действие внесенных питательных веществ [7–10]. Полноценной становится оценка влияния удобрений, если оценивают не только продуктивность зерновых и других культур, но и качество продукции, что важно для дальнейшей успешной ее переработки [11, 12]. Цель работы – изучение влияние различных систем удобрения на продуктивность яровой пшеницы в длительном стационарном опыте.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование выполнено в Курганском научно-исследовательском институте сельского хозяйства – филиале УрФАНИЦ УрО РАН – в лабораториях агрохимии и земледелия. Стационарный опыт, в котором наблюдали за ходом роста яровой мягкой пшеницы в период вегетации, был размещен на Центральном опытном поле Курганского НИИСХ. Заложен опыт в 1971 г. заведующим отделом агрохимии В. И. Волынкиным. Один из его помощников – сотрудник О. В. Волынкина (с 1993 г. по настоящее время). В течение 7-ми ротаций в 1971–1998 гг. изучение состава удобрения и доз азота вели в зернопропашном севообороте кукуруза – пшеница – пшеница – овес. Культуры выращивали при ежегодной вспашке. В конце этого периода в земледельческой практике Курганской и других областей произошли изменения – сокращение посевов кормовых культур и объемов проведения вспашки. Учитывая появление в сельскохозяйственном производстве новых технологий, в 1999– 2000 гг. севооборот в опыте был заменен бессменной пшеницей после стерни. Почва на участке под опытом – выщелоченный чернозем маломощный малогумусный среднесуглинистый с содержанием гумуса в слое 0–20 см – 4.5% и подвижных соединений: Р₂О₅ (по Чирикову) – 40 (низкое), K₂О – 250–350 мг/кг (высокое). За 53 года проведения опыта показатель рН_KCl изменился с исходной величины 6.0–6.2 до 5.15 ед. – в контроле и до 5.0 ед. – на фоне применения N60Р20.

Во 2-й части опыта районированные сорта яровой мягкой пшеницы высевали в норме 4.5 млн всхожих зерен/га сеялкой СКП-2.1 с сошником культиваторного типа. Общая площадь делянки 270, учетная – 90 м². Повторность трехкратная. Удобрения – аммиачная селитра и аммофос. Сорта ценной среднеспелой пшеницы в большей части лет опыта – Терция и Зауралочка местной селекции. Учет урожая пшеницы проводили комбайном Sampo-500 напрямую с отбором образца для анализа влажности и сорности бункерной массы зерна.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведение наблюдений за морфологией и свойствами растений при действии разных систем применения удобрений в стационарных опытах помогает объяснить главные данные – результаты учета урожая культур. В стационарном опыте в течение всей вегетации посевы осматривали, чтобы зафиксировать начало проявления действия разных систем удобрения. Визуальные наблюдения за растениями показали, в какой момент появились различия во внешнем виде удобренных и неудобренных растений. Чаще всего этот срок наступал после выпадения осадков в начале вегетации. Под влиянием удобрений растения приобретали более яркую зеленую окраску, особенно на фонах применения азота с фосфором, что было вызвано недостатком подвижного Р₂О₅ в выщелоченном черноземе участка под опытом при его содержании 40 мг/кг. В фазе выхода в трубку пшеницы отмечали различия и по высоте растений в пользу фона азотно-фосфорного удобрения. Фенологические наблюдения раскрывали разнообразие хода роста и развития растений под влиянием удобрений в разных погодных условиях. При контрастной погоде срок от всходов до колошения пшеницы сорта Зауралочка составлял 40 сут в сухом 2021 г. и 47 сут в благоприятном по увлажнению 2017 г. Период вегетации соответственно длился 79 и 89 сут. Важная фаза роста – кущение – в основном приходилась на июнь и длилась 14–16 сут. В этой фазе закладывается колос. Очень тесная связь выявлена между количеством зерен в колосе и количеством осадков в июне. Например, в 2016, 2017 и 2022 гг. выпадению осадков в июне в количестве 59, 48 и 82 мм соответствовала озерненность колоса 17– 21 зерен в контроле и 26– 27 шт. – на фонах N40–60P20. При осадках в июне 9–12 мм в сухих 2020 и 2021 гг. число зерен в колосе снижалось до 5–10 шт. в контроле и 8–16 шт. – при внесении удобрений. На фоне применения азотно-фосфорного удобрения флаговый лист работал дольше. В опыте была выявлена реакция 2-х среднеспелых ценных сортов пшеницы Терция и Зауралочка на достаточно жесткую технологию, представляющую собой возделывание пшеницы как бессменной культуры после стерневого фона.

В течение 18-ти лет вели наблюдения за засоренностью посева пшеницы. Для иллюстрации результатов наблюдений приведены варианты азотно-фосфорного удобрения, поскольку применение одного азота выражалось слабой эффективностью с прибавками при внесении N20– 40– 60, равными 1.8–2.5 ц/га, тогда как с добавлением фосфора средние прибавки увеличивались до 3.4– 5.6–6.4 ц/га соответственно. В конце июня ежегодно применяли смесь 2-х гербицидов – дикотицидов и граминицидов, из которых первые действовали эффективно, вторые – слабее. Многолетние сорняки, достаточно полно уничтожаемые гербицидом, до обработки были в очень небольшом количестве. В их числе были молочай лозный (Euphorbia virgita W.K.) и вьюнок полевой (Convolvulus arvensis L.). Из однолетних сорных растений появились нонея черноватая (Nonea pulla D.C.), подмаренник цепкий (Gallium aparine L.), гречишка вьюнковая (Polygonum convolvulus L.). Среди злаковых однолетних сорняков в основном произрастал щетинник сизый (Setaria glauca (L.) P.B.). Он широко распространился при замене ежегодной вспашки стерневым фоном. Иногда щетинник оставался в нижнем ярусе посева, а в теплые влажные годы дорастал до осеменения. Так было в 2007 г. при количестве осадков в мае, июне и июле 61, 28, 108 мм и 2008 г. при осадках 84, 28, 46 мм соответственно. В эти 2 года на конец июля доля сырой массы сорных растений в снопе в контроле достигала 27.0 и 17.8%, снижаясь только при внесении N60P20. В засушливые годы их доля была равна 1.4– 1.9%, повышаясь при среднем увлажнении до 10.2–14.5%. При благоприятных и равномерных осадках пшеница набирала хорошую биомассу, вытесняя сорные растения при их доле 5–6% в снопе.

Анализ засоренности посева проводили в фазе формирования зерновки 23–27 июля. Сырая масса снопа пшеницы к этому моменту отражала условия погоды каждого периода вегетации и была тесно связана с величиной урожайности. Взамен громоздкой таблицы за 18 лет данные сгруппированы по величине набранной массы пшеницы к концу июля. Осадки июля сильнее, чем июня, влияли на распространение сорных растений. Эта связь ярче проявилась при сравнении результатов по группам лет (табл. 1).

Таблица 1. Зависимость засоренности посева бессменной пшеницы после стерни от осадков июня и июля

Очень важно выявить действие удобрений на засоренность посева. Удобрения, повышая к концу июля вегетативную массу пшеницы в 1.4–1.6 раза к контролю, способны увеличивать и массу сорняков. Можно не считать те изменения засоренности от удобрения, когда ее уровень по принятой шкале сохранялся в том же классе, что и в контроле. При таком подходе получалось, что за счет удобрений существенное увеличение доли массы сорняков в снопе отмечено за 18 лет этого анализа 5 раз – в 2005, 2009, 2013, 2014 и 2020 г. Снижение засоренности от удобрений наблюдали 6 раз – в 2008, 2010, 2011, 2016, 2018 и 2019 г., что было связано с недостатком влаги в июне. В табл. 2 показана часть 18-летних данных с высокой долей сорных растений в годы с повышенными осадками в июле.

Таблица 2. Засоренность посева бессменной пшеницы в годы с влажным июлем

По данным, разделенным на 4 группы по величине набранной сырой массы пшеницы к моменту определения засоренности посева, величина биомассы коррелировала с урожайностью (табл. 3).

Таблица 3. Соответствие сырой массы пшеницы в фазе формирования зерна ее урожайности в разных погодных условиях

Корреляционным анализом подтверждена тесная связь этих величин, особенно при сравнении их в группах. Выявлено большое значение для урожайности пшеницы июньских осадков. При переходе от 2-й группы к 3-й биомасса пшеницы во всех вариантах увеличилась в 1.21 раза, а урожайность – лишь в 1.03 раза. Причиной был жаркий засушливый август в годы 3-й группы с осадками в 2005, 2007 и 2014 г., равными 16–20 мм и температуре воздуха 19–20.6°C.

Следующим наблюдением за влиянием систем удобрения на продуктивность бессменной пшеницы после стерни было определение структуры урожая. Его вели все 24 года опыта с бессменной пшеницей после стерни. Годы сгруппированы по величине ГТК за май–август. Для показа результатов взяты 3 варианта. Если в наблюдениях за засоренностью посева важно было проследить за влиянием высокой дозы азота N60Р20, то при оценке урожая и его структуры были взяты более умеренные дозы N20–40Р20 (табл. 4). Это сделано по двум причинам – большей реальности их использования в производственной практике и частом отсутствии существенной дополнительной прибавки урожайности при переходе от N40Р20 к N60Р20, что в среднем за 25 лет дало прибавку всего 0.7 ц/га.

Таблица 4. Роль удобрений и погодных условий в формировании разных элементов структуры урожая бессменной пшеницы после стерни (2000–2023 гг.)

Примечание. НСР₀₅ урожайности для групп лет: 0.9, 2.1 и 3.7 ц/га соответственно.

В засушливые годы удобрение оказывало влияние на все 3 элемента структуры урожая, но оно было слабым в отношении числа продуктивных стеблей и крупности зерна. Более заметно повышалось число зерен в колосе. Даже при среднем уровне увлажнения периода май–август проявилась такая же закономерность. Во влажные годы при оптимальной дозе удобрения N40P20 повысилась роль всех 3-х элементов структуры урожая: число продуктивных стеблей на 1 м² увеличилось на 51 шт., количество зерен в колосе – на 6 шт. и масса 1000 зерен – на 2.7 г. За счет этого получена самая высокая прибавка урожайности 9.6 ц/га. В среднем за 25 лет (1999–2023 гг.) исследований одностороннее азотное удобрение N20– 40– 60 на участке с низким содержанием в почве Р₂О₅ (40 мг/ кг) давало наименьшие прибавки урожайности бессменной пшеницы после стерни – 1.8–2.3 ц/га при урожае в контроле 9.7 ц/га. Азотно-фосфорное удобрение обеспечивало вдвое более высокие прибавки урожайности – 3.4–5.5– 6.2 ц/га соответственно системе удобрения.

Накопление в зерне белка и клейковины сильнее менялось в зависимости от погодных условий, но удобрения всегда оказывали положительное влияние на эти показатели. В 2000–2011 гг. в опыте высевали пшеницу сорта Терция. Изменения по годам содержания клейковины в зерне у этого сорта в контроле менялись от 14.0 до 26.9 и от 22.6 до 30.4% в варианте N40Р20. В среднем за 12 лет посева этого сорта 3 дозы азотного удобрения N20–40–60 позволили вырастить зерно с содержанием клейковины 23.9–24.9–28.0%, а при добавлении к азоту фосфора – 20.5–24.8–28.0% соответственно при ее количестве в контроле 19.8%. Повторяемость уровня качества 3-го класса соответственно составила на фоне применения одного азота 58–67–92% лет, а при этих же дозах с фосфором – 25–67–75% лет, тогда как в контроле этот показатель достигал только 25%. Показано, что малая доза азота на фосфорном фоне не была способна надежно обеспечивать 3-й класс качества пшеницы.

В 2012–2021 гг. высевали пшеницу сорта Зауралочка. Закономерность влияния удобрений была аналогичной. Содержание клейковины на фоне применения 3-х доз азота составило 25.4–26.3–26.6%, с добавлением Р20 – 22.3–25.8–26.6% соответственно при показателе 22.8% в контроле. С переходом на использование в опыте других сортов пшеницы пока не набрано достаточных опыто-лет для заключения о роли удобрений на качество зерна пшеницы различных сортов.

Более подробно качество бессменной пшеницы после стерни оценивали по технологическим свойствам зерна, для сорта Зауралочка это показано в табл. 5. Для упрощения этой таблицы приведены контрольный вариант и 2 варианта применения удобрений в дозах, рекомендуемых производственной практике.

Таблица 5. Технологические качества пшеницы сорта Зауралочка (2015–2020 гг.)

* В 2016 г. помол зерна – на мельнице “Quadrumat Junior”, в остальные годы – на мельнице “Бюлер”.

В 2015 г. накопление клейковины в зерне из-за среднего поражения растений листовой и стеблевой ржавчиной соответствовало лишь 4-му классу качества пшеницы. В муке содержание клейковины было далеким от нормы, которая установлена для муки пшеницы ценных сортов – ≥30%. Удобрение повышало количество клейковины на 3–4 пункта к контролю. Дозы азота N20Р20 было недостаточно для улучшения качества, поскольку она в основном расходовалась на формирование урожайности. Проявилась характерная черта для пшеницы сорта Зауралочка, у которой свойства клейковины по величине показателя ИДК отвечали требованиям 1-й группы или приближались к этому уровню. Возможно, благодаря лучшей упругости клейковины сила муки в контроле была на хорошем уровне – 209 ед. альвеографа (е. а.). В большей части остальных вариантов, где была больше урожайность, сила муки равна 136– 157 е. а. Объемный выход хлеба в контроле составил 510, на фоне N40Р20 – 685 мл. Общая хлебопекарная оценка кардинально изменялась с повышением балла от 1.7 в контроле к 3.1 при внесении N40Р20.

В 2016 г. растения были сильнее, чем в 2015 г., поражены стеблевой ржавчиной, и качество зерна пшеницы резко снизилось. Например, масса 1000 зерен была равна 19.0–19.9 г, содержание клейковины в зерне – 12–19%, а клейковина трудно отмывалась. Сила муки была равна 133 е. а. (в части вариантов из-за низкого качества теста силу муки не удалось определить). Объемный выход хлеба был равен 390– 550 мл. В табл. 5 не показаны варианты N40–60 без фосфора, где обычно влияние на урожайность было слабым, а на качество зерна – значительным. Лишь в этих вариантах по содержанию клейковины в зерне в 2016 г. отмечен переход из 5-го в 4-й класс.

В 2017 г. за счет своевременной обработки посева фунгицидом и равномерного выпадения достаточного количества осадков в период вегетации удобрения положительно влияли на количество клейковины за исключением малой дозы азота N20Р20. В благоприятных условиях увлажнения 2017 г. этой дозы азота хватило на прибавку урожайности зерна 6.0 ц/га, но содержание клейковинных белков в зерне пшеницы и муке стало даже меньше, чем в контроле. С повышением дозы увеличивалось не только содержание клейковины в муке, но и улучшались свойства теста и хлеба. Например, сила муки в варианте N40Р20 увеличилась со 136 до 168 е. а. Заметнее такое положительное действие было при дозах N60–80P20, не показанных в табл. 5.

В 2018 г. положительное действие удобрений на рост растений, проявившееся в начале вегетации, затем нивелировалось из-за недостатка влаги в июне и жары в июле–августе. Пшеница по качеству отвечала в основном требованиям 4-го класса. Сила муки была равна 262–291 е. а., но с очень неблагоприятным соотношением упругости и растяжимости теста (4.9– 5.1) при оптимальных показателях p/l = 1–2. Поэтому объемный выход хлеба на фоне применения удобрений чаще даже снижался по отношению к контролю, за исключением одностороннего азотного удобрения в вариантах N40–60, где улучшалась и общая хлебопекарная оценка.

В 2019 г., как и обычно в годы с недостатком влаги, накопление клейковинных белков было на высоком уровне за исключением варианта N20P20, который отставал по этому показателю в большинстве лет опыта. При высокой силе муки вновь повторилось неблагоприятное соотношение упругости и растяжимости теста (2.3–3.8). Поэтому объемный выход хлеба был в пределах 610–720 мл. Общая хлебопекарная оценка повысилась с 2.8 баллов в контроле до 3.0–3.1 на фоне N40Р20.

В 2020 г. содержание клейковины в муке было аналогичным этому показателю в зерне, также в варианте N20Р20 оно было меньше, чем в контроле, при повышении дозы азота оно стало существенно больше. Сила муки 430 е. а. была в контроле, 438 – при малой дозе азота и 372–467–488 е. а. – при применении доз N40–60–80Р20. Показатель объемного выхода хлеба в вариантах опыта изменялся незначительно, но оставался на высоком уровне 895–935 мл. Общая хлебопекарная оценка была самой высокой в контроле – 4.1 балла и 3.2–3.6 – в остальных вариантах. Снижение величин части перечисленных показателей на удобренных фонах можно объяснить расходом удобрения на формирование урожая с прибавками зерна ≈4 ц/га. В среднем за 2015–2020 гг. (исключая 2016 г.) в рекомендуемом практике варианте N40Р20 в посеве бессменной пшеницы после стерни объемный выход хлеба составил 705 мл при 672 мл в контроле.

Общая итоговая характеристика изученных систем удобрения за 24 года (1999–2022 гг.) на бессменной пшенице после стерни дана в табл. 6.

Таблица 6. Эффективность систем удобрения бессменной пшеницы после стерни (1999–2022 гг.)*

* Взяты цены 2022 г.

** Цена с учетом повторяемости 3-го класса качества зерна.

*** Учтено улучшение качества зерна базового урожая.

Следует считать, что агрофон, взятый для исследования, не является необычным. Его продуктивность в центральной зоне области равна продуктивности 3-й пшеницы после пара на фонах без основной обработки почвы. Судя по окупаемости удобрения, положительно проявились только 4 приема, где окупаемость 1-го кг д. в. приближалась к желаемой величине 10 кг/кг д. в. К ним относится применение N20 и все дозы азотно-фосфорного удобрения.

Однако подсчет оплаты удобрения в рублях при неблагоприятном соотношении цен на зерно пшеницы и удобрения обеспечил неплохую рентабельность лишь в одном варианте – N20. Стоимость 1-го ц зерна пшеницы и аммиачной селитры – 1100 и 2400 руб. соответственно создало соотношение 1 : 2.18, для аммофоса – 1 : 5.18 (1100 : 5700). При таком неблагоприятном соотношении необходимость широкого применения аммофоса в Курганской обл. при 62% почв пашни с низким содержанием подвижного фосфора может реализоваться при получении более высокого прироста урожайности, чем в среднем получено в опыте с жестким агрофоном. Значительно больше была эффективность удобрений в более влажной северо-западной зоне Курганской обл., где в больших объемах и применяют азотно-фосфорное удобрение. В нашем опыте прибавка урожайности зерна бессменной пшеницы после стерни, равная 9.6 ц/га в варианте N40Р20 во влажные годы, позволила иметь почти вдвое улучшенные показатели экономической оценки удобрений.

ВЫВОДЫ

1. Применение систем азотно-фосфорного удобрения яровой мягкой пшеницы улучшало внешний вид посева, окраска листьев на этих фонах оказывалась более яркого зеленого цвета. Достаточное увлажнение в июне в фазе кущения создавало благоприятные условия для формирования колоса с бóльшим числом зерен. Флаговый лист дольше работал на фоне внесения азотно-фосфорного удобрения.
2. Несмотря на ежегодное применение в опыте гербицида, ряд лет отмечали повышенную засоренность посева пшеницы, когда доля сорняков по их массе в общем снопе возрастала до 18–30%. В основном это был 2-й нарост щетинника сизого после июльских дождей. За все годы анализа засоренности посева в течение 5-ти лет удобрения увеличивали долю сорняков по их массе в снопе, 6 других лет – снижали и 7 лет показатели были близкими.
3. Анализ структуры урожая проводили ежегодно, он показал роль разных элементов структуры в засушливые и влажные годы. Удобрение оказывало влияние на все 3 элемента структуры урожая, но при недостатке влаги оно было слабым в отношении числа продуктивных стеблей и массы 1000 зерен. В такие годы более заметно повышалось количество зерен в колосе, как и при среднем уровне увлажнения за май–август. Во влажные годы удобрение в дозе N40P20 положительно влияло на все 3 элемента структуры урожая: число продуктивных стеблей на 1 м² увеличилось на 51 шт., количество зерен в колосе – на 6 шт. и масса 1000 зерен – на 2.7 г, за счет чего получена самая высокая прибавка урожайности, равная 9.6 ц/га.
4. Качество зерна пшеницы в опыте не всегда отвечало требованиям к 3-му классу. В среднем за 12 лет (2000–2011 гг.) у пшеницы сорта Терция содержание клейковины в зерне в вариантах N0Р0 и N40Р20 составило 19.8 и 24.8%. Повторяемость по годам качества зерна на уровне 3-го класса зависела от дозы азота. При внесении доз N20– 40– 60 она составила 58–67–92% лет, а при тех же дозах азота в сочетании с фосфором, где был больше сбор зерна, – 25– 67– 75% лет при 25% лет в контроле. Почти такая же закономерность обнаружена и для сорта Зауралочка, которую высевали в опыте в 2012–2021 гг. Доза N20Р20 была недостаточной для повышения содержания клейковинных белков в зерне и муке.
5. По влиянию удобрений на технологические свойства зерна пшеницы многолетние данные характеризуются положительно. С повышением содержания белка в зерне и муке за счет азотного удобрения в основном улучшались свойства теста и хлеба.
6. В среднем за 24 года исследования одно азотное удобрение в дозах N20–40–60 на участке с низким содержанием в почве Р₂О₅ (40 мг/кг) давало наименьшие прибавки урожайности зерна бессменной пшеницы после стерни – 1.8–2.4 ц/га при урожайности в контроле 10.0 ц/га. Азотно-фосфорное удобрение обеспечивало вдвое более высокие прибавки урожайности – 3.4–5.6–6.4 ц/га.
7. Экономическая оценка 6-ти систем удобрения (3 дозы азота без фосфора и с его добавлением) при применении 4-х из них показала неплохой уровень окупаемости, которая приближалась к 10 кг зерна на 1 кг д. в. удобрений. Менее эффективным было одностороннее применение азотного удобрения в дозах N40–60 с оплатой 6.0 и 3.7 кг/кг д. в. По окупаемости удобрений в рублях рентабельность на хорошем уровне была лишь в одном варианте – N20 (73%). Причиной этого было сложившееся в земледелии России неблагоприятное соотношение цен на зерно пшеницы и удобрения (от 1 : 2.18 до 1 : 5.18).

About the authors

O. V. Volynkina

Author for correspondence.
Email: kniish@ketovo.zaural.ru
Russian Federation, ul. Belinskogo 112a, Ekaterinburg 620142

References

Supplementary files