Внесение удобрений и математика — опыты на озимой пшенице в Краснодарском крае
Текст: Ю. Ф. Осипов, д-р биол. наук, гл. науч. сотр.; А. А. Новикова, мл. науч. сотр.; О. В. Федорова, мл. науч. сотр.; Е. В. Шаповалова, мл. науч. сотр., ФГБНУ «Национальный центр зерна им. П. П. Лукьяненко»; А. Н. Казачек, генеральный директор; С. В. Подгорный, заместитель генерального директора по растениеводству, ООО «Кореновскагрохимия»
Одна из составляющих высокой рентабельности растениеводства — эффективное использование удобрений. Методы математического моделирования при расчете оптимальных доз минеральных подкормок при возделывании озимой пшеницы могут способствовать увеличению их окупаемости.
Эффективное применение удобрений имеет большое значение для каждого предприятия и всего сельского хозяйства России в целом. Однако именно по этому критерию страна существенно уступает развитым государствам, хотя низкая действенность подкормок в значительной степени может быть связана с неблагоприятными агроклиматическими условиями во многих регионах, в частности с низкой влагообеспеченностью.
СНИЗИТЬ РАСХОДЫ
В течение ряда лет сотрудники агротехнологического отдела ФГБНУ «НЦЗ им. П. П. Лукьяненко» совместно с руководством ООО «Кореновскагрохимия» внедряют новые методы расчета оптимальных доз удобрений на полях озимой пшеницы, возделываемой в хозяйстве. Цель работы заключается в получении высоких урожаев — порядка 70–80 ц/га — при снижении расходов препаратов на производство каждого центнера зерна.
Исследования эффективности удобрений проводились на озимых колосовых культурах. После обработки результатов многолетних многофакторных опытов с помощью системного анализа было получено несколько математических моделей связи урожайности с исходным уровнем плодородия почвы, дозами вносимых подкормок и некоторыми факторами погоды. Они представляют собой математические уравнения, отображающие баланс между состоянием почвы, агрофитоценоза (АФЦ) и объемами удобрений, необходимыми для достижения заданной продуктивности озимой пшеницы. Используя эти формулы, информацию об эффективном плодородии почвы, состоянии АФЦ, планируемой урожайности, а также специальную программу «Поиск аргумента по заданной функции», можно найти уровень оптимальной дозы минеральных препаратов для конкретного поля. Таким образом, рассчитывается объем основного удобрения и подкормок при дисперсии погодных условий в пределах среднемноголетних колебаний.
Для определения получаемой прибавки урожайности озимой пшеницы исходили из предположения, что в хозяйстве, с учетом исходного эффективного плодородия земель, на большинстве полей возможно получение продуктивности в пределах 50–55 ц/га без применения удобрений. Их действенность в этом случае можно установить как разность между фактической урожайностью озимой пшеницы на поле, где использовались добавки, и вероятным показателем без них.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Климат Кореновского района умеренно континентальный с неустойчивым увлажнением. Погодные условия в 2020/2021 и 2021/2022 сельскохозяйственных годах были благоприятными для получения высоких урожаев озимой пшеницы. Однако сезон 2020/2021 отличался некоторыми особенностями, в частности сухой и теплой осенью, что привело к значительному недобору осадков в осенне-зимний период, а также сильными заморозками весной 2021 года, которые вызвали повреждение растений. Следующий сельскохозяйственный год по гидротермическим показателям был близок к среднемноголетнему уровню, но характеризовался теплой и влажной зимой, что способствовало продолжительному кущению растений возделываемой культуры.
По почвенно-климатическому районированию Кореновский район входит в Центральную зону Краснодарского края и Приазово-Предкавказскую провинцию зоны обыкновенных и южных черноземов. Основную часть территории, то есть свыше 90%, составляют черноземы с мощным гумусовым горизонтом. Результаты агрохимического анализа на разных полях ООО «Кореновскагрохимия» показали, что почва содержит среднее и повышенное количество элементов минерального питания растений и способна обеспечить урожайность в 50–55 ц/га без дополнительного внесения удобрений. Однако для запланированного сбора в 70–80 ц/га такого содержания компонентов недостаточно, поэтому требуется использование подкормок.
Работа по расчету оптимальных доз удобрений для достижения обозначенной урожайности озимой пшеницы начиналась с получения почвенных образцов с экспериментальных полей. Отбор проводился сотрудниками агрономической службы хозяйства осенью, то есть перед посевом. Для этого из слоя 0–20 см извлекалась почва из расчета один смешанный образец с каждых 25 га поля. В агротехнологическом отделе выполнялся анализ на содержание азота нитратного N–NO3, усвояемого фосфора P2O5 и обменного калия K2O для выявления уровня эффективного плодородия. Новые методы расчета оптимальных доз удобрений проверялись на сортах селекции ФГБНУ «НЦЗ им. П. П. Лукьяненко». В 2020/2021 сельскохозяйственном году работа проводилась на сортах Безостая 100, Гром, Юка, Гурт и Тимирязевка, которые выращивались по предшественникам: кукуруза на зерно, сахарная свекла, соя и подсолнечник. В следующем сезоне образцами выступали сорта Гром, Табор, Таня и Юка по тем же предшественникам.
ВТОРОЙ ЭТАП
Перед расчетом оптимальных доз первой азотной подкормки сотрудниками агрономической службы хозяйства также отбирались растительные образцы. Экземпляры выкапывались с корнями, очищались от земли и доставлялись в отдел, где осуществлялся подсчет общего количества растений и стеблей длиной >1 см на учетных площадках по 0,25 кв. м с каждых 25 га. Затем рассчитывалась густота АФЦ в среднем по полю на квадратный метр. Пробы почвы были получены на тех же полях, что и осенью, но уже из двух горизонтов — 0–20 и 20–40 см, каждый из которых анализировался отдельно. Далее в агрохимической лаборатории отдела определялось содержание нитратного азота ионометрическим способом по ГОСТ 26951–86, аммонийного азота по ГОСТ 26489–85, усвояемого фосфора и обменного калия по Мачигину и ГОСТ 26205–97.
Отбор растительных образцов для определения оптимальной дозы второй азотной подкормки осуществлялся в период начала стеблевания, когда над поверхностью почвы на стебле появлялся первый надземный узел, то есть не ранее 12–15 дней после предыдущего внесения удобрений. Процедура проводилась на тех же полях аналогично первому отбору. После доставки образцов растений из хозяйства следовал биометрический анализ АФЦ: отделение надземной биомассы от подземной и взвешивание полученной массы с дальнейшим расчетом величины удельной биомассы агрофитоценоза. Часть материала передавалась в агрохимическую лабораторию для оценки проб на валовое содержание азота в абсолютно сухом веществе по методу Кьельдаля и ГОСТ 13496.4–93. После проведения анализов и получения необходимой информации по каждому полю в агротехнологическом отделе осуществлялась ее обработка с использованием математической модели, описывающей зависимость урожайности озимой пшеницы от дозы второй подкормки и других существенных факторов и специальной программы. Результаты расчетов в виде рекомендаций оперативно передавались в хозяйство, которое занималось внесением удобрений на экспериментальных полях озимой пшеницы.
СПОСОБЫ РАСЧЕТА
Оптимальные дозы основного удобрения определялись по оригинальной методике. Сейчас она находится в стадии патентования, поэтому ее детали не могут быть приведены. Объем первой азотной подкормки устанавливался с использованием математического моделирования по программе «Поиск аргумента по заданной функции», где доза азота была аргументом, а планируемая урожайность — функцией. При этом применялось регрессионное нелинейное множественное уравнение — математическая модель, которая в ранневесенний период содержала наиболее значимые для урожайности факторы и их взаимодействия. В частности, учитывались доза первой азотной подкормки в кг д. в./га, содержание минерального азота N–NO3 и N–NH4 в слое почвы 0–20 см в мг/кг, концентрация P2O5 и K2O в горизонте 20–40 см в мг/кг, густота агрофитоценоза на III–IV этапах органогенеза в количестве стеблей на квадратный метр, сумма осадков за осенне-зимний период, то есть с сентября по февраль, в миллиметрах. При вычислении оптимальной дозы для конкретного поля привлекалась информация о величине факторов на нем и возможном интервале варьирования количества первой азотной подкормки.
При расчете подходящего объема минеральных удобрений для второго внесения использовалась та же программа, но математическая модель была другой. Она включала в себя следующие факторы: дозу второй азотной подкормки в кг д. в./га, содержание в слое 0–20 см ранней весной аммонийного азота N–NH4 в мг/кг, концентрацию P2O5 и K2O в пласте 20–40 см в мг/кг, величину удельной биомассы АФЦ в г/кв. м, количество в ней азота в период начала стеблевания на V этапе органогенеза в процентах. Также учитывались среднесуточная температура марта и объем первой азотной подкормки в кг д. в./га. В процессе применялись данные о величине факторов на поле и возможном интервале варьирования второй дозы.
Обе модели были рассчитаны на основании многолетних многофакторных опытов. Данные методы определения оптимальных норм азотных удобрений являются улучшенными вариантами способов, которые ранее были запатентованы: патент РФ № 2609909 от 24 апреля 2015 года, патент РФ № 2728239 от 18 декабря 2019 года.
ОТЛИЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
Урожайность озимой пшеницы в среднем за два года по всем экспериментальным полям составила 73,9 ц/га, что почти соответствует ее среднему планируемому уровню в 75 ц/га при относительно невысоком расходе удобрений — 206 кг д. в./га. В 2020/2021 сельскохозяйственном году продуктивность была ниже — 66,7 ц/га, а общие затраты препаратов были выше — 243 кг/га, чем в 2021/2022 году. Такая динамика связана с неблагоприятными погодными условиями, в частности с недобором осадков в осенне-зимний период, что сказалось на развитии и кущении посевов, а также с повреждением растений весенними заморозками, что потребовало увеличить дозу второй азотной подкормки. В 2021/2022 сельскохозяйственном году, когда гидротермические условия в течение вегетационного периода озимой пшеницы были более благоприятными, чем в предыдущий сезон, был получен высокий урожай в 81,1 ц/га при низком расходе удобрений в 168 кг/га.
Для более корректной оценки эффективности использования минеральных подкормок в ООО «Кореновскагрохимия» была определена их окупаемость в натуральном выражении как окупаемость килограмма туков прибавкой урожайности, то есть кг зерна/кг д. в. удобрений. В качестве базисной продуктивности были взяты величины 51 ц/га в 2021 году и 55 ц/га в 2022 году, которые получены в опытах в сходных условиях без применения удобрений. Прибавка урожайности устанавливалась как разность между средней и базисной продуктивностью озимой пшеницы по годам. В итоге за два года по всем экспериментальным полям средняя окупаемость составила 11 кг/кг, что является отличным результатом, если учесть, что хорошим показателем считается ~5–6 кг/кг. При этом следует отметить, что даже в не совсем благоприятных условиях 2020/2021 сельскохозяйственного года применение новых методов расчета оптимальных доз удобрений позволило получить хорошую окупаемость — 6,5 кг/кг. В условиях сезона 2021/2022 этот параметр увеличился более чем в два раза — до 15,5 кг/кг. Результаты опытов, полученные в ФГБНУ «НЦЗ им. П. П. Лукьяненко» в 2021/2022 сельскохозяйственном году с использованием обозначенных ранее методик для определения оптимальных доз удобрений, были идентичны данным по ООО «Кореновскагрохимия».
Таким образом, проведенное исследование показало, что применение методов математического моделирования для расчета оптимальных доз удобрений при планировании получения высокой урожайности озимой пшеницы существенно повышает их окупаемость. Значительные колебания агроклиматических условий в период возделывания культуры могут снижать данный коэффициент доходности.