CC BY
68CHANGES IN THE YIELD AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF FIELD CROPS IN MIXED CROPS UNDER APPLICATION OF MINERAL FERTILIZERS
M.A Alyoshin, L.A Mikhailova Perm State Agro-Technological University, Petropavlovskaya id. 23, 614990 Perm, Russia, e-mail: matvei0704(a<miiilru
The paper presents the results offield production experience to determine the effect of doses of nitrogen and phosphorus-potash fertilizers on the productivity of single-species and mixed agrocenoses of spring wheat and seed peas. The research M<as carried out in the conditions of medium-cultivated sod-podzolic soil. Grain productivity of mixed wheat-pea agrocenoses varied depending on their composition, doses of nitrogen and phosphorus-potash fertilizers. Higher grain yield (2.27 t/ha) M<as obtained in a mixed agrocenosis (wheat 75% + peas 25%), when applying mineral fertilizers in doses of N60 + P60K60. There M<as an increase in the number of grain forage heaps by 0.71 and 0.16 t/ha (relative to a single-species wheat crop) when including in the agrocenoses of seed peas, in the share equivalent of 25% and 50%, respectively. In mixed agrocenoses, the grain of spring wheat corresponded to class 1, according to GOST R 54078-2010, only in terms of the amount of raw protein (more than 140 g/kg).
Key words: mixed crops, yield and biochemical composition of grain, mineral fertilizers, bioenergetic assessment. УДК 613.8
ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ
В.Г. Сычев, ак. РАНР.А. Афанасьев, д.с.-х.н. Г.А. Кирсанов, А.А. Коваленко,
ФГБНУ «ВНИИ агрохимии», А.В. Труфанов, Ю.И Тимохина, ООО «АгроДронГрупп» e-mail:[email protected]
Изложены результаты полевого и научно-производственного опытов по применению минеральных удобрений под озимую пшеницу, возделываемую на дерново-подзолистой почве, в целях разработки дистанционной диагностики азотного питания растений с использованием беспилотных летательных аппаратов (БП.ПА). По их итогам впервые для условий российского земледелия разработан эффективный роботизированный метод диагностики азотного питания растений, взамен наземных трудоемких, не безопасных для здоровья исполнителей, химических методов растительной диагностики, а также малопроизводительных фотометрических методов с применением портативных приборов либо установленных на механизированных носителях. Разработанный метод по показателям точности диагностики азотного питания растений превосходит также дистанционную диагностику с космических аппаратов (спутников).
Ключевые слова: азотные удобрения, почва, минеральное питание растений, озимая пшеница, фотоиндикация, дистанционная диагностика, БП.ПА, урожайность.
Б01: 10.25680/819948603.2020.113.04
Повышение урожайности и качества зерновых культур, включая озимую пшеницу, во многом зависит от уровня применения минеральных удобрений. При этом важное значение отводится методам определения нуждаемости растений в оптимизации их минерального питания. Методы такой диагностики постоянно совершенствуются [1]. В середине прошлого столетия в России и ряде других стран основным методом диагностики потребности растений в азотных удобрениях служил полуколичественный метод при помощи определения в соке стеблей, главным образом озимых зерновых культур, содержания нитратов при воздействии на отрезки стеблей раствором дифениламина в крепкой серной кислоте [2] (рис. 1, 2).
Рис. 1. Стеблевая диагностика: подготовка растительной пробы к анализу
По интенсивности окраски выжатого сока дифениламином определяют уровень обеспеченности растений азотным питанием: чем интенсивнее окраска, тем
больше в растениях нитратного азота и тем лучше обеспеченность их азотным питанием. При недостатке нитратного азота в растениях вносят соответствующие дозы азотных удобрений в виде некорневой подкормки.
Г
3 4 5 о Юг
* ♦ ê 1 = 1
i 1 ф / О 2 l^^lLrf
6 7 8 9 i 4 fïtmrtoiiM 3 MimwTtifvuiigd«
Рис. 2. Определение нитратного индекса по интенсивности окраски выжатого из стебля сока озимой пшеницы
В последние десятилетия обращают особенное внимание на разработку фотометрических [3-5], в том числе дистанционных, методов диагностики, главным образом для уточнения доз, сроков и способов применения азотных удобрений под зерновые культуры, прежде всего под озимую пшеницу, от производства которой зависят как уровень обеспечения внутреннего потребления, так и экспортные возможности государства. Применение дистанционной диагностики способно бо-
лее своевременно, в широких масштабах установить потребность посевов зерновых культур в азоте [6]. Основой современных методов мониторинга растений служит фотометрическое определение вегетационного индекса - ЫЭУ1. показывающего отношение разности между инфракрасным и красным спектрами отражения электромагнитного излучения посевом сельскохозяйственной культуры к их сумме по формуле: ЫЭУ1 = ММЖ - тЕР/'ыТ^ + ШЕР (рис. 3).
Ближний инфракрасный
4M 500 550 600 650 700 7Ей 800 850 900 9Б0 1000 1050 Длины ВОЛН. НМ
Рис. 3. Спектр отражения солнечного света от посевов сельскохозяйственных культур
Основным показателем NDVT при его дистанционном определении для агрономов служит зеленая фито-масса сельскохозяйственных культур. Этот показатель может использоваться для определения возможной урожайности при созревании культур, например зерновых, если при этом учитываются погодные и другие условия их вегетации. Однако, вопросы дистанционной диагностики азотного питания растений до сих пор находятся на стадии первоначальной разработки, и существенную роль в развитии данного направления играют результаты экспериментов, проводимых во ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова. Значимость данного направления обусловлена недостаточным совершенством наземных и космических методов диагностики. В частности, с помощью портативных (рис. 4) и установленных на транспортные средства фотометров (рис. 5) за 8-часовой рабочий день можно обследовать от 40 до 80 га посевов.
Рис. 4. Портативный N-тестер фирмы «Yara»
Рис. 6. Съемка полей космическим аппаратом
Космические методы мониторинга (рис. 6) позволяют проводить обследование посевов, в светлое время суток, на площади от 500 до 5000 га. Однако их масштабность в определенной мере сказывается на качестве производимых снимков. Если наземные механизированные фотометрические системы для обследования больших площадей посева обеспечивают разрешение на местности 10-20 м/пкс, то разрешение на космических снимках составляет 30-250 м/пкс. Космические снимки, полученные в облачную погоду, не дают необходимой информации, а в безоблачную - требуют определенной атмосферной коррекции. По результатам исследований ВНИИ агрохимии, проведенных совместно с ООО «АгроДронГрупп» на базе подмосковной опытной станции института, дистанционное обследование посевов в целях диагностики азотного питания растений наиболее целесообразно осуществлять с помощью беспилотных летательных аппаратов оснащенных как мультиспектральной съемочной аппаратурой и соответствующей программой по расчету ЫРУ1. так и обычными (бытовыми) коптерами (дронами) с цифровой фотоаппаратурой в сочетании с наземными фотометрами. Эффективность дистанционного, с использованием БПЛА, определения потребности посевов в азотной подкормке установлена по результатам полевых опытов. В частности, определены дозы азотной подкормки посева озимой пшеницы, возделываемой на дерново-подзолистой почве, в зависимости от показаний ЫЭУ1 (табл. 1).
1. Рекомендуемые дозы азота доя весенней подкормки озимой _пшеницы при планируемой урожайности зерна 5-6 т/га
Ж) VI. балл
>0.4 0.41-0.5 0.51-0.6 0.61-0.7 >0.7
Дозы азота, кг д. в/га
150 120 90 60 0-30
(90 + 60) (90 + 30)
Рис. 5. N-сенсор фирмы «Yara»
Примечание. Повышенные дозы азотных удобрений (150 и 120 кг д.в/га) вносят в 2 - 3 приема с перерывом в 2 нед и более.
Возможность проводить фотодиагностику азотного питания растений с использованием обычных квадро-коптеров и портативных N-тестеров доказана на базе исследований, проведенных на опытном поле бывш. ЦОС ВНИИА в 2017 г. По их итогам в получен Патент на изобретение № 2661458 «Способ фотометрической диагностики азотного питания растений с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)».
Суть изобретения заключается в использовании для съемки засеянного сельскохозяйственной культурой поля с развитой биомассой обычного, в настоящее время широко распространенного в России, беспилотного коптера (дрона), оснащенного цифровым фотоаппаратом. Отснятый с определенной высоты участок посева
переносят с помощью компьютера на белый лист бумаги формата А 4, который разрезают на узкие, шириной около 2 см, полоски и сканируют с помощью какого-либо портативного фотометра. Предварительно требуется такую операцию выполнить на участке полевого опыта с возрастающими дозами азотных удобрений для калибровки используемого фотометра. Сравнение данных, полученных в результате сканирования производственного и опытного посевов возделываемой сельскохозяйственной культуры в определенные фазы вегетации, позволяет определить уровень обеспеченности производственного посева азотом и принять решение о применении азотных удобрений для вегетационной подкормки.
Проверка эффективности нового способа диагностики азотного питания растений с использованием обычного квадрокоптера и портативного фотометра, проведенная на базе полевого эксперимента на опытной станции ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова, показала, что этот способ по точности диагностики не уступает ни непосредственному по листьям определению обеспеченности растений азотным питанием с помощью фотометра «Уага», ни дистанционной диагностике с использование специального БПЛА, ни стеблевой диагностике, ни по связи с урожайностью диагностируемой культуры (табл. 2). Коэффициент парной линейной корреляции показаний фотометра, фиксируемый на бумажном фотоснимке, с данными листовой фотометрической диагностики составлял 0,99, дистанционной с БПЛА - 0,97, т.е. адекватность этих методов была близка к 100%. Даже с урожайностью озимой пшеницы «бумажная» диагностика коррелировала с коэффициентом 0,97.
2. Обеспеченность озимой пшеницы азотным питанием,
определенная различными методами в фазе трубкования
Вариант Диагностика фото- NDVI Стеблевая Урожай-
опыта метром «Yara» (с БПЛА) диагнос- ность.
по фото- по рас- тика т/га
снимку тениям
No 2 356 0.65 0 2.83
N30 22 511 0.81 0.9 4.41
Nöo 26 541 0.84 1.4 4.99
N90 30 580 0.85 2.5 5.0
N120 37 620 0.86 2.7 5.1
Коэффициент 0.99 0.97 0.93 0.97
корреляции (г)
Приведенные диагностические показатели, полученные новым способом, и их тесная взаимосвязь, выражаемая высокими значениями коэффициентов парной линейной корреляции, свидетельствуют о возможности камеральной обработки обычных фотографий, полученных при дистанционной съемке активно вегети-рующих, т.е. зеленых, растений портативными Титестерами типа «Yara». Исследования, проведенные в 2018-2019 гг., подтвердили возможность эффективного использования дистанционной диагностики азотного питания растений с применением БПЛА. Так, в 2018 г. на опытной станции ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова провели обследование поля озимой пшеницы с использованием БПЛА ООО «АгроДрон-Групп», на котором был также заложен полевой опыт с возрастающими дозами азотных удобрений.
Помимо вегетационного индекса NDVI, на производственном посеве и в полевом опыте, расположенном
на его территории, определяли наземную фитомассу растений, а также ряд других показателей.
Осенью 2018 г. на опытной станции ВНИИА был заложен научно-производственный опыт по изучению реакции различных сортов и линий озимой пшеницы селекции академика РАН Б.И. Сандухадзе на применение возрастающих доз минеральных, прежде всего азотных, удобрений (рис. 7). На снимке продольные делянки опыта представляют собой участки, засеянные сортами и селекционными линиями озимой пшеницы; делянки в поперечном направлении разделены на субделянки с возрастающими дозами удобрений по следующей схеме их внесения весной 2019 г.: ' 1. Контроль (б/у), 2. М^еКзъ 3. ^сРтбКч, 4. N21 оРцоК.74, 5. ^кРпоКюо+м (микроэлементы).
Рис. 7. Общий вид научно-производственного опыта ВНИИА на «Полигоне и агротехнологий - 2019»
Общая площадь участка полевого опыта (с защитка-ми) 10640 м2, или ~ 1,06 га. Длина участка опыта 100,8 м, ширина - 80 м. В опыте насчитывается 35 делянок. Длина каждой делянки 16 м, ширина 14,4 м (4 прохода сеялки ЗТ - 3,6). Норма высева семян озимой пшеницы - 300 кг/га. Сорта пшеницы (4 сорта) и селекционные линии (3 линии) высевали по длинной стороне делянок, удобрения вносили вручную поперек прохода сеялки.
> о
Рис. 8. Динамика озимой пшеницы
В течение вегетационного периода 2019 г. в зеленых растениях озимой пшеницы по вариантам опыта неоднократно с помощью портативного фотометра «Уага» определяли обеспеченность их азотным питанием по показателям Ж)У1. На графике (рис. 8) видно, что с 12 мая по 9 июня 2019 г. показатели №)У1 во всех вариантах, даже на контроле, со временем увеличивались. Это объясняется тем, что с середины мая до начала июня в почве, благодаря деятельности почвенной микрофлоры, повышалось содержание питательных веществ, прежде всего нитратного азота. Минеральные удобрения также существенно увеличивали вегетационный индекс -примерно с 350 баллов на контроле до 650 баллов в
вариантах с максимальной дозой азота. Коэффициенты парной линейной корреляции (г) между дозами азотных удобрений, с одной стороны, и показателями по срокам диагностики, с другой, вывили тесную связь между ними. Для первого срока диагностики (12.05.2019 г.) коэффициент корреляции (г) составил 0,98, для второго (19.05.2019 г.) - 0,96, третьего (26.05.2019 г.) - 0,99,
четвертого (9.06.2019 г.) - 0,97, т.е. наблюдалась высокая, близкая к 100%, зависимость показателей ЫЭУ1 от доз минеральных удобрений.
Соответственно дозам минеральных удобрений повышалась и урожайность озимой пшеницы в вариантах опыта (табл. 3).
3. Урожайность сортов и линий озимой пшеницы селекции Б.И. Сандухадзе (ФГБНУ Федеральный исследовательский центр НИИСХ Немчиновка) в научно-производственном опыте ФГБНУ «ВНИИ агрохимии»
Доза N на фоне РК
Московская 39
Московская 40
Московская 56
Немчинов-екая 85
Линия Лютесценс 216/17
Линия Лютесценс 982/08
Линия Отбор из Лютесценс 982/08
40,1
39,4
37,8
38,0
38,2
37,9
42,6
56,0
55,2
53,3
56,9
56,8
57,0
64,0
66,4
57,0
71,1
66,3
61,7
66,5
75,9
61,7
71,2
71,1
64,0
69,7
85,4
N210 + микроэлементы
71,2
78,3
75,9
66,4
71,3
92,5
Максимальная урожайность зерна озимой пшеницы - более 9 т/га - получена от селекционной линии Отбор из Лютесценс 982/08 в варианте, в котором, наряду с азотными, фосфорными и калийными удобрениями, применяли комплекс микроэлементов в виде некорневой подкормки. Из возделываемых сортов этой культуры наилучший результат в этом варианте удобрения показал сорт Московская 56, несколько уступал ему сорт Немчиновская 85.
Удобрения, прежде всего азотные, оказали заметное влияние и на химический состав растений. Внесение минеральных удобрений, по сравнению с контрольным вариантом, повысило в зеленой биомассе озимой пшеницы содержание сырого протеина, в спелом зерне -сырого белка (табл. 4). Максимальное содержание белка отмечено в варианте с внесением минеральных удобрений в дозе ^юРпоК^- Применение микроудобрений, вызвав повышение урожайности зерна, несколько снизило в нем концентрацию белковых веществ, что согласуется с известными закономерностями в соотношении количество/качество.
Окупаемость удобрений прибавкой урожайности также зависела от биологических свойств сортов и ли-
нии озимои пшеницы, их реакции на применяемые дозы ЫРК и микроудобрения (табл. 5). Как правило, окупаемость с повышением доз макроудобрений снижалась. Микроудобрения в сочетании с самой высокой дозой калия (вариант ^юРпоК-юо) повышали окупаемость макроудобрений практически по всем сортам и линиям озимой пшеницы, за исключением линии Лютесценс 982/08.
4. Влияние удобрений на содержание азотистых веществ в изучаемых сортах и линиях озимой пшеницы
Вариант опыта Содер сырого г в биомассе жание гротеина эастений, % Содержание сырого белка в зерне, %
Выход в трубку 19.05 Цветение 9.06 Полная спелость 23.08
Контроль (б/у) 8,1 5,5 5,6
10,4 5,7 5,9
^оРубК,! 12,9 6,4 7,5
^юРцоК74 11,6 5,2 9,8
^юРпоКюо + микроэлементы 11,7 6,2 9,0
5. Окупаемость минеральных удобрений прибавкой у рожайности со] ртов и селекционных линий озимой пшеницы, кг/кг
Доза N на фоне РК Московская 39 Московская 40 Московская 56 Немчиновская 85 Линия Лютесценс 216/17 Линия Лютесценс 982/08 Линия Отбор из Лютесценс 982/08
N90 9,5 9,4 9,3 11,3 11,1 11,4 12,8
N150 9,5 6,4 12,0 10,2 8,5 10,3 12,0
N210 7,2 5,7 8,5 8,4 6,5 8,1 10,9
N210 + микроэлементы 7,4 7,0 9,6 9,0 6,7 7,9 11,9
Эффективность работ ВНИИА по совершенствованию методов управления продуктивностью сельскохозяйственных культур путем рационального применения удобрений была продемонстрирована на примере сортов и селекционных линий озимой пшеницы, выведенных академиком РАН Б.И. Сандухадзе, на «Полигоне агротехнологий - 2019» на базе опытной станции института.
Заключение. Выявленные на опытной станции ВНИИА в полевом и научно-производственном опытах с возрастающими дозами азотных удобрений закономерности показали тесную зависимость показаний беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а именно вегетационного индекса (№)У1), от обеспеченности растений азотом. Установлено, что достоинством дис-
танционной диагностики азотного питания растений с БПЛА, по сравнению с другими методами, являются оперативность и технологическая простота, а также экономическая эффективность использования беспилотных летательных аппаратов для мониторинга посевов сельскохозяйственных культур. Это, по существу, открывает новый способ в решении проблемы диагностики азотного питания растений. Следует отметить, что прежние методы наземного да и космического мониторинга посевов сдерживали принятие ряда технологических решений, в частности о проведении азотных подкормок в период вегетации растений. Исследования на базе опытной станции ВНИИА показали, что дистанционная диагностика минерального питания растений с использованием БПЛА, оснащенных соответст-
вующей фотометрической аппаратурой, имеет важное значение для управления продуктивностью растений. Нововведением, осуществленным ВНИИА и подтвер-ждснным свидетельством на изобретение Роспатентом РФ, является также способ дистанционно-камеральной обработки фотоснимков полей для определения ЫЭУ1 посевов с использованием простого летательного аппарата для дистанционной их съемки и портативного фотометра для обработки полученных фотоснимков в камеральных условиях. Проведенные исследования открывают широкие возможности для своевременного и качественного применения предлагаемых технологий диагностики минерального питания растений. Учитывая эффективность новых, с использованием БПЛА, способов диагностики азотного питания растений можно рекомендовать их для повсеместного применения в
практике агрохимического обслуживания земледелия страны.
Литература
1. Сычев В.Г. Современное состояние плодородия почв и основные аспекты его регулирования. - М.: РАН, 2019. - 325 с. 2. Церлинг В.В. Диагностика питания сельскохозяйственных культур: Справочник. -М.: Агропромиздат, 1990. - 235 с. 3. Афанасьев P.A. Агрохимическое обеспечение точного земледелия // Проблемы агрохимии и экологии. - 2008. - № 3. - С. 46-53. 4. Осипов Ю.Ф., Иваницкий Я.В., Ширинян М.Х., Афанасьев P.A., Галицкий В.В. Использование прибора N-тестер «Яра» для диагностики азотного питания озимой пшеницы // Плодородие. - 2011,- № 1. - С. 26-29. 5. Афанасьев P.A., Белоусова К.В., Литвинский В.А. и др. Фотометрическая диагностика азотного питания ярового рапса и озимой тритикале в условиях Центрального Нечерноземья // Плодородие. - 2012. - № 4 - С. 51-52. 6. Афанасьев P.A. Дистанционная диагностика азотного питания растений с использованием БПЛА / Плодородие почв России: состояние и возможности. Под ред. В.Г. Сычева. - М.: ВНИИА, 2019. - С. 191-196.
OPPORTUNITIES OF REMOTE DIAGNOSTICS OF MINERAL NUTRITION OF PLANTS
KG. Sychev1, RA Afanasev1, G.A. Kirsanov1, A A. Kovalenko1, A V. Trufanov2, Yu.I. Timohinir 1 PryanishnikovInstitute of Agrochemistry, Pryanishnikova uL 31A, 127434 Moscow, Russia, e-mail: rafail-afanasev(a)maiLru 2 AgroDroneGroup, Kotlyakovskaya ul 3/13, Moscow, 115201, Russia
The results of field and scientific-production experiments on the application of mineral fertilizers for winter wheat cultivated on sod-podzolic soil are presented in order to develop remote diagnostics of nitrogen nutrition ofplants using unmanned aerial vehicles (UAVs). According to their results, for the first time for the conditions of Russian agriculture, an effective robotic method for diagnosing nitrogen nutrition ofplants was developed, instead of land-consuming labor-intensive, unsafe for health ofperformers, chemical methods ofplant diagnostics, as well as inefficient photometric methods using portable devices or mounted on mechanized media. The developed method in terms of accuracy of diagnostics of nitrogen nutrition ofplants is also superior to remote diagnostics from spacecraft (satellites). Key words: nitrogen fertilizers, soil, mineral nutrition ofplants, winter wheat, photoindication, remote diagnostics, UAVs, productivity.
УДК 631.82:633.1:631.445.41 [470.4]
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ НА ВЫНОС ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ ЗЕРНОВЫМИ КУЛЬТУРАМИ
В СТЕПИ ПОВОЛЖЬЯ
В.В. Пронько1, dc.-x.ti., Т.М. Ярошенко2, к.с.-х.н., Н.Ф. Климова2, к.с.-х.п., Д.И). Журавлев2, к.с.-х.н.
Научно-производственное объединение «Сила жизни», 410005, Саратов, ул. Бол. Садовая, д. 239, E-mail: [email protected] 2 ФГБНУНИИСХ Юго-Востока, 410010, Саратов, ул. Тулайкова, д. 7, E-mail: [email protected]
В длительном стационарном опыте на южных черноземах степи Поволжья определены размеры выноса из почвы азота, фосфора, калия с урожаем основной и побочной продукции озимой и яровой пшеницы, проса, ячменя и овса. Установлено потребление макроэлементов на формирование единицы урожая (с соответствующим количеством побочной продукции) названных культур. Показано влияние погодных условий вегетационного периода, а также азотных и фосфорных удобрений на вынос и потребление элементов питания в черноземной степи Поволжья.
Ключевые слова: минеральные удобрения, погодные условия, вынос, макроэлементы, зерновые культуры, южные чернозёмы, степи Поволжья.
Б01: 10.25680/819948603.2020.113.05
Под влиянием идей Ю. Либиха о возврате в почву химических элементов, отчуждаемых растениями [5], для определения количества вносимых удобрений еще во второй половине 19-го века стали применять химический анализ почв и растений. За прошедшие более чем полтора столетия сформировались два основных направления для установления потребности растений в удобрениях. Первое - это химический анализ почвы, при котором определяют запасы доступных для растений элементов питания. При этих анализах используют растворители (как правило, растворы кислот и солей).
Они, предположительно, извлекают химические соединения, которые доступны корням растений [9]. Однако в литературе можно найти положение о недопустимости отождествления количества элементов минерального питания, обнаруженного химическим анализом почвы, с тем количеством, которое действительно доступно растению. Так, Д.У. Кук [4] отмечает, что при таком анализе фактически определяется лишь растворимость тех или иных элементов в используемом реактиве, а не их доступность для корней растений.
