CC BY
27СИСТЕМА «ПОЧВА-УДОБРЕНИЯ-ПОГОДА-УРОЖАЙ» ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ ЕТР
В.А. Романенков, М.П. Листова, М.В. Беличенко, О.В. Рухович, кандидаты биол. наук, ВНИИА
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 07-05-13600-офи_ц
Резюме. Созданы систематизированные электронные базы данных многолетних наблюдений в длительных и краткосрочных полевых опытах Геосети по озимой пшенице для дерново-подзолистых почв ЕТР и СНГ, а также для ЦОС ВНИИА с системой группировки для всех факторов её возделывания.
Многофакторные системы «почва-удобрения-погода-урожай» во многом остаются слабо изученными как, в силу сложности взаимодействия между показателями, так и протекающих процессов в агроэкосистеме. Решение данной задачи является важнейшим условием рационального использования земельных ресурсов, устойчивого высокопродуктивного земледелия, а также своевременной
разработки адаптационных стратегий развития сельского хозяйства с учетом изменения климата. Систематизация результатов опытов Геосети должна учитывать зависимость действия удобрений от почвенного плодородия, предшественника, агротехнических приемов и погодных условий.
Большая часть применяемых методов обработки данных не позволяет обеспечить соблюдение принципа единственного различия при изменяющихся показателях плодородия почв и погоды [3]. Необходимость в практическом использовании результатов опытов Геосети для оптимизации применения агрохимических средств с учетом специфики хозяйства и поля потребовала перехода от анализа выборок больших
объемов к применению математического моделирования. Использование динамического моделирования по данным полевых опытов сталкивается, как правило, с проблемой недостатка входных данных, а также отсутствия моделей, описывающих влияние не только отдельных факторов продуктивности, а всего комплекса показателей, лимитирующих развитие растений [11]. Для решения практических задач оценки эффективности удобрений наибольшее развитие получили исследования, основанные главным образом на моделях множественной регрессии [4, 10, 13, 16].
Развитие моделирования дало возможность изучать закономерности действия удобрений с помощью численных экспериментов. Это решало проблему репрезентативности малых выборок при одновременном изучении большого количества факторов. На основе моделирования проводился детальный анализ роли почвенных, погодных и агротехнических факторов с учетом видовой специфики зерновых и пропашных культур [2, 4-8, 12, 14, 15 и др.]. Среди показателей, определяющих эффективность минеральных удобрений, в различных погодных условиях для разных культур и зон значимыми являлись осадки, температура воздуха [1], ГТК определенных месяцев года, сумма положительных температур, влажность почвы, коэффициент континентальности климата, коэффициент засушливости Бове и другие.
Методика. Для создания математической модели продуктивности агроэкосистем собраны несколько массивов экспериментальных данных полевых опытов, проведенных в Нечерноземной зоне учреждениями Геосети и на ЦОС ВНИИА. Каждый из блоков системы «почва-удобрения-погода-урожай» представлен набором соответствующих показателей.
Наблюдения включают данные о месте проведения опыта, культуре и сорте, предшественнике. Отобраны варианты опытов по применению только минеральных удобрений. В блоке «почва» учитывается гранулометрический состав по содержанию физической глины и агрохимические показатели, контролируемые Агрохимслужбой (табл.). Блок «погода» представлен декадными значениями температуры и осадков от посева до уборки культуры. Из описаний отклика массив включает урожай зерна и величины прибавок урожая по разным вариантам внесения удобрений. Исходная информация дает возможность расширения массивов за счет показателей качества продукции. В данной статье приводим данные по озимой пшенице.
Диапазоны изменения основных показателей в созданных массивах экспериментальных данных
Куль Выбо Гуму рН Р2О5 К2О Урожай, Прибавк
тура рка с, мг/кг ц/га а от ц/га
данн ых % б/у РК №К
Озим ая НЧЗ 1,252,9 4,036,9 19360 44355 5,740,3 8,343,3 12,156,6 -3,4-24,1
пшен ица ЦОС 1,141,94 4,16,6 11166 79318 3,138,9 17,736,5 9,052,8 -2,0-24,9
Диапазон варьирования факторов по блокам «почва-удобрения-погода-урожай» в подготовленных выборках позволяет уверенно использовать полученную информацию как для экстенсивных технологий земледелия с низкими дозами минеральных удобрений, мелиорантов и соответствующей структурой севооборотов, так и для интенсивных приемов возделывания сельскохозяйственных культур, возможных при увеличении финансовых вложений в земледелие. Востребованность моделей велика в прогнозных расчетах для обоснованного выбора адаптационных мер в растениеводстве, связанных с процессами глобального изменения климата. Их цель определение таких доз минеральных удобрений, которые обеспечивают экономически оправданный прирост урожая при различных
типах реализации погоды и сохранение почвенного плодородия.
Массив данных по озимой пшенице в Нечерноземной зоне включает 606 строк, содержит данные 20 лет наблюдений по опытам России, Беларуси и Украины, с варьированием доз МРК в диапазоне 0-320, 0-290, 0-240 кг/га, соответственно. Массив данных ЦОС по озимой пшенице включает 380 строк, содержит данные 32 лет наблюдений, с варьированием доз МРК в диапазоне 0-240, 0-180, 0-260 кг/га, соответственно.
Результаты. На первом этапе работ детально рассмотрена зависимость урожая озимой пшеницы на тяжелосуглинистых дерново-подзолистых почвах ЦОС ВНИИА для дальнейшей идентификации параметров модели различных уровней продуктивности зерновых культур. Выборки сформированы на основе соответствующей методики [9].
Анализ выборок для озимой пшеницы в целом по Нечерноземной зоне и по Центральной и Смоленской ОС показывает, что с ростом окультуренности почвы происходит дополнительный прирост урожайности (рис.1) В качестве критерия окультуренности дерново-подзолистых почв использовано рекомендованное в указанной выше методике содержание в пахотном слое подвижного фосфора, имеющего наиболее тесную корреляцию с урожаем озимой пшеницы среди всех агрохимических показателей. Ранее было показано [17], что на дерново-подзолистых почвах с ростом содержания подвижного фосфора возрастает стабильность урожаев, что, подтверждает полученная нами для среднемноголетних данных зависимость (рис.1).
я и
а.
35 30 25 20 15 10 5 0
□ ЦРНЗ
□ ЦОС ВНИИА
□ Смоленский НИИСХ
□ Юго-Восток ЦРНЗ
12 3 4 уровень окультуренности
Рис. 1. Зависимость урожая озимой пшеницы от содержания подвижного фосфора в почвах Нечерноземной зоны для вариантов абсолютного контроля (уровень окультуренности оценен по содержанию подвижного фосфора, мг/кг: 1 - <50, 2 - 50-100, 3 - 100150, 4 - >150)
Обеспеченность дерново-подзолистых почв фосфором оказывает влияние на эффективность не только фосфорных, но и азотных удобрений. В стационарном полевом опыте ЦОС ВНИИА показано, что при изменении содержания подвижного фосфора в тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве с 15 до 150 мг/кг почвы и соответствующем увеличении степени подвижности фосфатов продуктивность севооборота при средних дозах К120Р60К60 увеличилась почти вдвое с 24,9 до 44,0 ц/га [19].
Вместе с тем, окупаемость возрастающих доз азотных удобрений под озимую пшеницу сначала возрастает, а затем снижается, при области оптимума около Ы60 (рис.2), что совпадает с результатами Раньковой и др. [13].
и ЦОС
Смоленский п НИИСХ
□ Поволжье
Фон РК N<40 N60 N90 N120 дозы азотных удобрений
Рис. 2. Оплата 1 кг ОТК кг урожая озимой пшеницы в различных районах Нечерноземной зоны
Существование оптимума устойчиво обнаруживается для различных опытов, при этом наименьшая окупаемость наблюдается для юго-восточной, наиболее континентальной части Нечерноземной зоны. Это соответствует данным Федосеева [18], установившего, что в пределах Европейской территории России (ЕТР) эффективность удобрений падает с северо-запада на юго-восток с ростом засушливости климата: например, для озимых зерновых прибавка урожая для доз N40-60Р40-60К40-60 снижается с 8 до 2 ц/га. Большая степень окультуренности (за счет известкования в дозах СаС03 по 0,75 г.к. и запасного внесения фосфатов в дозах до 1200 кг/га в севообороте за 6 лет) почв ЦОС по сравнению с почвами Смоленского НИИСХ объясняет максимальную окупаемость для почв ЦОС. При более детальном анализе выборки по ЦОС ВНИИА найдено, что при низкой обеспеченности подвижным фосфором эффективность средних доз N -удобрений (60-90 кг/га) подвержена значительным колебаниям, обусловленным зависимостью от погодных условий (рис.3).
различном фосфорно-калийном фоне по среднемноголетним данным. Практически линейная зависимость изменения эффективности удобрений при дозах ^5-120 указывает, что в данном диапазоне доз азот остается основным лимитирующим фактором.
Полученные зависимости могут также быть представлены в виде двухмерного графика, при этом обнаруживается достаточно сильное увеличение неопределенности окупаемости удобрений при дозах N менее 120 кг/га. Например, для дозы разброс окупаемости возрастает в 1,7 раз по сравнению с N^0 (рис. 6).
Рис. 3. Влияние окультуренности почвы на эффективность доз азотных удобрений под озимую пшеницу на примере ЦОС ВНИИА
При средней обеспеченности подвижным фосфором наибольшие прибавки урожая озимой пшеницы достигаются при использовании доз ^0-90, позволяя в особо благоприятные годы достичь прибавки 20-24 ц зерна/га. При более высоких дозах эффективность N удобрений снижается, особенно заметно для доз ^20-150, что согласуется с ранее полученными [17] зависимостями при среднем уровне обеспеченности почв подвижным фосфором. При низкой окультуренности почвы рост урожайности остается существенным при дозах N¡20450, но абсолютная величина прибавки не превышает 10-12 ц /га.
Если представить полученный график в виде трехмерной зависимости окупаемости №удобрений от доз N и содержания подвижного фосфора, то видно, что для обеспечения окупаемости около 15 кг/кг необходим уровень обеспеченности фосфором не менее 70-80 мг/кг, при дозах N не более 100 кг/га (рис.4). Снижение окупаемости менее выражено при увеличении доз N на слабоокультуренных почвах, но на них не удается достичь окупаемости более 6 кг/кг.
дозы азотных удобрений, кг/га Рис. 5. Взаимосвязь эффективности и окупаемости азотных удобрений под озимую пшеницу на различном фоне РК на тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве (ЦОС ВНИИА, 19641994 гг.)
Значимым фактором, влияющим на эффективность малых доз азота, являются погодные условия. Рисунок 7 иллюстрирует прирост урожайности при использовании средних доз МРК по сравнению с абсолютным контролем.
35
¡2 30
* 25 л
Ц 20 ё
I !5
£ 10 О
5 0
дозы азота, кг Среднее
95% уровень значимости
Рис. 6. Снижение окупаемости возрастающих доз азотных удобрений. Выборка ЦОС ВНИИА
Из динамики многолетней урожайности озимой пшеницы видно, что в неблагоприятные годы, когда при внесении удобрений не обеспечивалось увеличение урожайности выше 6-7 ц/га, влияние удобрений оказывалось недостоверным. Напротив, в благоприятные годы, когда урожайность при дозах ^0-90Р60-90К60-90 достигает 35-40 ц/га и выше, эффективность оказывается достаточно высокой и именно в эти годы окупаемость азотных удобрений максимальна.
Рис. 4. Изменение окупаемости азотных удобрений под озимую пшеницу в зависимости от содержания подвижного фосфора и доз азотных удобрений (ЦОС ВНИИА)
Рисунок 5 иллюстрирует обратную зависимость между эффективностью азотных удобрений и их окупаемостью на
60 50
« u
Я 40
! 20 а
10
0
Рис. 7. Динамика урожайности озимой пшеницы на опытах ЦОС ВНИИА. Отрезками обозначен диапазон 95% уровня значимости
Таким образом, база данных ЦОС ВНИИА по озимой пшенице составила основу для оценки влияния содержания подвижного фосфора дерново-подзолистой почвы на урожай. При низкой обеспеченности подвижным фосфором эффективность доз N60
-90 подвержена значительным колебаниям, обусловленным зависимостью от погодных условий. При средней обеспеченности подвижным фосфором доза ^0-90 обеспечивала наибольшие прибавки урожая озимой пшеницы. Окупаемость около 15 кг зерна /кг N требует уровня обеспеченности фосфором не менее 70-80 мг/кг, при дозах N не превышающих 100 кг/га. Значимым фактором, влияющим на эффективность малых доз N оказываются погодные условия. В благоприятные метеорологические годы, когда урожайность при дозах 90Р60-90К60-90 достигает 35-40 ц/га и выше, окупаемость азотных удобрений максимальна. Обобщение результатов исследований по ЦОС ВНИИА демонстрирует возможность планирования применения удобрений с учетом корректировки нормативной базы для уровня отдельного хозяйства.
Литература
1. Аникст Д.М. О принципах эколого-агрохимического районировнаия земледельческой территории РСФСР // Агрохимия.
1991. № 6. С.3-8. 2. Богдевич И.М. Модель учета влияния агрохимических свойств почв на урожай озимой ржи / Бюллетень Почвенного института им.В.В.Докучаева. - М., 1985. - Вып. XXXVI. -С.14-15. 3. Заброда О.К., Матухно В.Н., Ранькова Э.Я. Регрессионные модели для оценки урожайности озимой пшеницы по данным о погоде, почве и вносимом удобрении // Труды Института экспериментальной метеорологии. - М.: Гидрометеоиздат, 1976.-Вып.9(68). С.40-56. 4. Иванова Т.И. Прогнозирование эффективности удобрений с использованием математических моделей. М.: Агропромиздат, 1989. 234 с. 5. Кирикой Я.Т., Листова М.П., Аникст Д.М., Платонова Л.С. Использование системного анализа при изучении географических закономерностей действия удобрений и разработке нормативной базы химизации // Труды ВИУА,1989. С.74-82. 6. Кулаковская Т.Н. Оптимизация агрохимической системы почвенного питания растений. М.: ВО "Агропромиздат", 1990. 220 с..7. Листова М.П. Экономико-математическая модель оптимизации норм внесеняи минеральных удобрений на примере озимой пшеницы // Бюллетень ВИУА.- М.,1988.- Вып.87. С.10-14. 8. Листова М.П. Моделирование агроэкосистем по данным Агрохимслужбы и Геосети // Плодородие. 2007. № 1. С.2-4. 9. Методика разработки нормативов зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от показателей плодородия почв. М.:ВИУА, 1990. 50 с. 10. Перегудов В.Н. Планирование многофакторных полевых опытов с удобреняими и математическая обработка их результатов. М.: Колос, 1978. 184 с. 11. Полуэктов Р.А., Опарина И.В., Семенова Н.Н., Терлеев В.В. Моделирование почвенных процессов в агроэкосистемах: учеб.пособие. СПб. : Изд-во С.-Петерб. гос. ун-та, 2002. 144 с. 12. Прохорова З.А., Фрид А.С. Исследование и моделирование плодородия почв на базе длительного полевого опыта. М.: Наука, 1993. 189 с. 13. Ранькова Э.Я. Объективная типизация метеорологических условий вегетационного периода озимых культур // Труды Института экспериментальной метеорологии. - М.: Гидрометеоиздат, 1976.- Вып.9(68). С.20-39. 14. Совершенствование методики проведения длительных опытов и математические методы обработки экспериментальных данных. М.: Агроконсалт, 2003. 218 с. 15. Стребков И.М. Основные закономерности взаимодействия векторов почвенного плодородия, удобрений и погоды в условиях дерново-подзолистых почв Центрального района НЧЗ РСФСР // Агрохимия. 1989. № 2. С.36-41 16. Стребков И.М., Кирикой Я.Т. Оптимизация параметров плодородия почв с помощью методов математического моделирования // Сб. науч. тр. Пущино,1985. С.135-145. 17. Стребков И.М., Кирикой Я.Т., Халанская Т.П. Методическое руководство по использованию принципов системного анализа в агрохимических исследованиях закономерности действия удобрений. М.: ВИУА, 1988. 72 с. 18. Федосеев А.П. Агротехника и погода. Л.:Гидрометеоиздат, 1979. 240 с. 19. Эффективное применение удобрений в Нечерноземной зоне. М. Россельхозиздат, 1983. 270с.
Год исследований
N60-90P60-90K60-90 — Контроль
