Использование результатов многолетних полевых опытов, проводимых в зерновых севооборотах, для повышения плодородия почв и совершенствования агротехники возделывания пшеницы

Север Великих равнин

В 1967 г. на юго-востоке провинции Саскачеван (Канада) вблизи г. Свифт-Каррент был заложен полевой опыт, который называют «Старым севооборотом» («Old Crop» rotation). Свифт-Каррент расположен в наиболее засушливой части канадских прерий, где вегетационный период очень короткий из-за длительных и холодных зим (Pelton et al. 1967). В данной статье рассматривается четыре из 12-ти вариантов, изначально заложенных в 1967 г.: внесение азотно-фосфорных и одних фосфорных удобрений под бессменную пшеницу («монокультура-NP», «монокультура-P») и в севообороте пар – пшеница – пшеница («севооборот-NP», «севооборот-P»). В вариантах с внесением фосфорных удобрений в почву ежегодно поступает 9-10 кг P/га. Приводимые ниже данные и графические зависимости были опубликованы Селлесом с соавт. (Selles et al., 2011).

Для анализа временных трендов полученные данные были сгруппированы по трем периодам, выделенным с учетом степени дефицита влаги: 1967-1979, 1980-1993 и 1994-2005 гг. Содержание подвижного фосфора (в слое почвы 0-15 см), определяемого по методу Олсена, достоверно изменялось по вариантам опыта за вышеуказанные три периода. В течение первых 12-ти лет между рассматриваемыми вариантами не было различий. Они появились во время 2-го периода – содержание подвижного фосфора в почве достоверно повысилось под бессменной пшеницей по сравнению с севооборотом, поскольку в первом случае фосфорные удобрения применялись чаще. В 3-ем периоде содержание подвижного фосфора в почве было достоверно ниже в варианте «севооборот-NP» по сравнению с остальными вариантами опыта. Положительный баланс фосфора (внесение с удобрениями минус вынос с зерном) был значительно выше при монокультуре пшеницы, чем в севообороте. За рассматриваемый период под бессменную пшеницу было внесено на 43 кг P/га больше по сравнению с севооборотом. Баланс фосфора в севообороте значительно ухудшился во 2-ом периоде, если сравнивать с 1-ым периодом, и также был значительно хуже, чем под бессменной пшеницей. К 3-ему периоду варианты «севооборот-P» и «монокультура-NP» характеризовались одинаково положительным балансом фосфора, а наиболее высокие показатели баланса наблюдались в варианте «монокультура-Р». В рассматриваемом периоде баланс фосфора стал отрицательным в варианте «севооборот-NP», однако содержание подвижного фосфора в почве все еще достоверно превышало исходное значение при закладке опыта.


Рис. 1. Тенденции изменения запасов подвижного фосфора в почве (метод Олсена) за 1967-2005 гг. в изначально заложенных вариантах многолетнего опыта (Канада). [Уравнения зависимостей: «монокультура-NP» при ≤22 лет: y = 9.9 + 0.64 × количество лет, далее: y = 9.9 + 0.64 × количество лет – 0.61 × (количество лет – 22); «севооборот-NP» при ≤20 лет: y = 8.9 + 0.56 × количество лет, далее: y = 8.9 + 0.56 × количество лет – 0.59 × (количество лет – 20); «монокультура-P»: y = 11.5 + 0.68 × количество лет; «севооборот-P»: y = 10.4 + 0.45 × количество лет]. Рисунки из публикации Селлеса с соавт. (Selles et al., 2011).

Для запасов подвижного фосфора в почве (метод Олсена) были также проанализированы временные изменения (рис. 1). В течение первых 20-ти лет опыта во всех вариантах наблюдался линейный положительный тренд. В дальнейшем восходящий тренд сохранился только при внесении одних фосфорных удобрений – в вариантах «монокультура-Р» и «севооборот-Р». При этом запасы подвижного фосфора в почве увеличивались соответственно на 0.68 и 0.45 кг P/га/год. При внесении азотно-фосфорных удобрений восходящий линейный тренд, наблюдавшийся в течение первых 20-ти лет опыта, обеспечивал прирост на 0.64 и 0.56 кг P/га/год соответственно в вариантах «монокультура-NP» и «севооборот-NP», а затем запасы подвижного фосфора в почве стабилизировались (рис. 1).
Во многих длительных полевых опытах за счет расщепления опытных делянок можно ввести дополнительные варианты, что и было сделано в опыте «Старый севооборот». В 1993 г. исследователи решили расщепить делянки вариантов с внесением фосфорных удобрений, чтобы добавить новые варианты – без последующего внесения фосфора. Прекращение применения фосфорных удобрений не отразилось на урожайности зерна пшеницы, возделываемой в севообороте, однако при бессменном выращивании урожайность зерна снизилась на 10% (табл. 1). Селлес с соавт. (Selles et al., 2011) отмечали, что снижение урожайности при бессменных посевах не было постоянным, однако как в варианте «монокультура-NP», так и в варианте «монокультура-P» при прекращении внесения фосфора было 2 года, когда урожайность снизилась более чем на 35%.

Таблица 1. Изменение суммарного сбора зерна пшеницы за период 1994-2005 гг. после прекращения внесения фосфорных удобрений в многолетнем опыте (Канада).
Вариант опыта	Сбор зерна, т/га
	Фосфор продолжал вноситься	Фосфорперестал вноситься
Монокультура-NP	29.1	26.3*
Монокультура-P	19.8	18.7*
Севооборот-NP	21.3	21.0
Севооборот-P	18.0	16.8
НСР	1.8
* Достоверные различия между вариантами с внесением и прекращением внесения фосфора при P < 0.05.

Результаты опыта свидетельствуют о том, что остаточный фосфор удобрений, накопленный в почве в течение предыдущих 27-ми лет (1967-1993 гг.), оставался в легкодоступных для растений формах. Это подтверждает вывод, согласно которому невнесение фосфорных удобрений на почвах с высокими остаточными запасами фосфора редко ведет к снижению продуктивности сельскохозяйственных культур (Selles et al., 2011).

Центр Великих равнин

В штате Оклахома (США) проводится несколько длительных полевых опытов с озимой пшеницей, включая так называемые «делянки Магрюдера» (Magruder Plots). Это старейший длительный полевой опыт с пшеницей на Западе США – регионе, расположенном к западу от р. Миссисипи. Приводимые ниже данные были получены в многолетнем полевом опыте с внесением NPK под бессменную озимую пшеницу, заложенном на северо-западе штата Оклахома в 1971 г. В своем обобщении мы остановимся на результатах, полученных в 6-ти вариантах опыта с внесением возрастающих доз азота – от 0 до 112 кг/га с шагом 22.4 кг. В каждом варианте ежегодно вносится 20 кг P/га и 56 кг K/га.

Рис. 2. Прибавка урожайности от внесения азота по 5-летним периодам в многолетнем опыте (США). Расчет прибавки: урожайность в варианте с внесением азота в дозе 112 кг N/га минус урожайность в варианте N0.

За более чем 30-летний период урожайность зерна в варианте без внесения азота изменялась в диапазоне 0.75-2.84 т/га, составив в среднем 1.78 т/га.В варианте с внесением 112 кг N/га (самая высокая доза азота) минимальная урожайность составила 1.42 т/га, а максимальная – 5.94 т/га при среднем значении за 30 лет, равном 2.96 т/га. Стандартное отклонение урожайности в указанных двух вариантах опыта составило соответственно 0.55 и 1.00 т/га. Для того, чтобы показать общие тенденции, мы сгруппировали результаты опыта по 5-летним периодам. В первую очередь рассмотрим прибавку урожайности при применении азотных удобрений, которая рассчитывалась как разница в урожайнос­ти между вариантами с внесением и без внесения азота. Прибавка урожайности от внесения азота увеличивалась со временем, за исключением начала 1980-х гг. (рис. 2). Если для каждого 5-летнего периода сопоставить максимальную урожайность, полученную в благоприятный год (вариант N112P45K67), и минимальную урожайность, полученную в неблагоприятный год (вариант P45K67), то также отмечается рост прибавки урожайности от азота со временем. За последние три периода (1995-2000, 2001-2005 и 2006-2010 гг.) вышеуказанная разница в урожайности составила соответственно 2.36, 3.20 и 3.83 т/га (рис. 3). Полученные результаты свидетельствуют о том, что вероятность как избыточного внесения, так и недо­внесения азота повышается с увеличением вариабельности такого показателя, как вынос азота из почвы с урожаем. Экономически оптимальная доза азота (ЭОД_N) рассчитывалась ежегодно. Анализ, проведенный по 5-летним периодам, показывает, что ЭОД_N не меняется с начала 1990-х гг., оставаясь равной 112 кг N/га (рис. 4). Однако, с конца 1990-х гг. ширина диапазона ЭОД_N для 5-летних периодов достигает 90 кг N/га и даже больше (рис. 4).


Рис. 3. Разница между максимальной и минимальной урожайностью для 5-летних периодов многолетнего опыта (США).


Рис. 4. Экономически оптимальная доза азота (ЭОД_N) и ширина диапазона ЭОД_N для 5-летних периодов многолетнего опыта (США).

В штате Оклахома доза азота рассчитывается на планируемую урожайность озимой пшеницы, которая определяется по формуле: средняя урожайность за предыдущие 5 лет плюс 20-процентный прирост. Использование данного подхода привело к избыточному внесению 1672 кг N/га за период 1976-2011 гг. Расчет доз азота, исходя из ЭОД_N для 5-летних пе­риодов, снизил бы избыточное внесение азота до 1187 кг N/га или на 30% по сравнению с общепринятым подходом.
Результаты длительного опыта свидетельствуют не только об увеличении потенциала урожайности озимой пшеницы на Великих равнинах, но и о повышении отзывчивости растений на применение азотных удобрений со временем. Данное повышение произошло в основном благодаря селекции новых улучшенных сортов озимой пшеницы и совершенствованию технологий ее выращивания. Что еще более важно, изучена временная вариабельность таких показателей, как максимальная урожайность и потребность растений в азоте при данном уровне урожайности. Полученные результаты указывают на необходимость проведения диагностики питания растений в период вегетации для того, чтобы скорректировать дозу азота, исходя из состояния растений и почвенно-климатических условий.

Пампасы Аргентины

Исследования, проводимые в пампасах Аргентины, – наименее длительные из рассматриваемых в данной статье полевых опытов. В отличие от двух вышеописанных примеров, проект по изучению плодородия почв в Аргентине включает 11 опытов, которые проводятся на фермерских полях. Опыты входят в Сеть по питанию растений Региональных консорциумов по сельскохозяйственным исследованиям (Regional Consortia for Agricultural Experimentation, CREA) Юга провинции Санта-Фе и проводятся в трех провинциях: Санта-Фе, Кордова и Буэнос-Айрес. CREA – это объединение фермеров, задача которого состоит в разработке технологий возделывания сельскохозяйственных культур, изучения способов обработки почвы и систем управления агротехнологиями в хозяйстве. Распространение полученной информации – это также одна из задач данной организации.

Мы разделили 11 опытов на 2 группы в соответствии с севооборотами: кукуруза – пшеница/соя (бинарный посев) и кукуруза – соя – пшеница/соя. В опытах изучается 6 вариантов: 1) контроль, 2) PS, 3) NS, 4) NP, 5) NPS и 6) полное удобрение (NPS + K, Mg, B, Cu и Zn). Дозы внесения элементов питания под зерновые культуры на 10% превышают вынос элементов питания из почвы с урожаем зерна, за исключением азота, дозы которого рассчитываются в соответствии с региональными рекомендациями, исходя из содержания нитратного азота в почве при посеве.
Гарсия с соавт. (García et al., 2007) опубликовал обобщение результатов опытов за первые 6 лет с момента закладки в 2000 г. или за 33 опытолет для пшеницы: 5 сезонов возделывания в опытах с севооборотом кукуруза – пшеница/соя и 3 сезона – в опытах с севооборотом кукуруза – соя – пшеница/соя. Была проанализирована взаимосвязь между отзывчивостью растений на внесение элементов питания с удобрениями и обеспеченностью почвы данными элементами питания. Из 33-х опытолет 16 характеризовались значимой прибавкой урожайности от внесения азота; 25 – фосфора; 6 –серы; 20 – азота, фосфора и серы и 4 – остальных элементов питания (García et al., 2010).
Прибавка урожайности от внесения азота значимо коррелировала с содержанием нитратного азота в почве при посеве (в слое 0-60 см), а также с содержанием нитратного азота в соке растений в фазу кущения. Для получения урожая зерна пшеницы в 4 т/га сумма запасов нитратного азота в почве при посеве и азота, вносимого с удобрениями, должна составлять 130-140 кг N/га. В 95% опытов при содержании подвижного фосфора, определяемого по методу «Брей 1», менее 15 мг P/кг почвы растения отзывались на внесение фосфорных удоб­рений. К аналогичному выводу пришли Берардо (Berardo, 1994) и Замунер с соавт. (Zamuner et al., 2004), проводившие исследования в южной части пампасов. Критический диапазон содержания подвижного фосфора в почве составил 15-20 мг P/кг почвы. Не было выявлено взаимосвязи между прибавкой урожайности пшеницы от внесения серы и содержанием сульфатной серы в почве при посеве, как это наблюдалось в других полевых опытах, проведенных в пампасах Аргентины (García, 2004). В тоже время была установлена взаимосвязь между прибавкой урожайности кукурузы от внесения серы и содержанием сульфатной серы в почве при посеве (в слое 0-20 см).
Разница в урожайности пшеницы между удоб­ренными вариантами и контролем со временем увеличилась, позволяя тем самым предположить, что, помимо изменений в содержании подвижного фосфора, произошли и другие изменения в состоянии почвенного плодородия. Увеличение выше­указанной разницы связано не только со снижением урожайности в контрольном варианте, но также и с ростом урожайности в удобряемых вариантах. На рис. 5 показан рост отзывчивости пшеницы на внесение удобрений со временем, наблюдавшийся в двух полевых опытах с севооборотом кукуруза – пшеница/соя.


Рис. 5. Относительная урожайность зерна пшеницы в вариантах с внесением удобрений при возделывании в севообороте кукуруза – пшеница/соя: опыты в Балдуччи и Сан-Альфредо (Аргентина). Урожайность в контроле принята за 100%.

Разница в содержании подвижного фосфора (метод «Брей 1») между вариантами с внесением и без внесения фосфорных удобрений со временем увеличивалась. Обобщение результатов исследований за 10 лет (2000-2011 гг.) свидетельствует о ежегодном повышении содержания подвижного фосфора на 1.9-3.1 мг Р/кг почвы в вариантах опытов с внесением фосфорных удобрений. В вариантах с внесением азотно-серных удобрений содержание подвижного фосфора снижалось на 0.50-1.0 мг P/кг почвы в год.

Выводы

Согласно результатам многолетнего полевого опыта, проводимого в условиях юго-запада канадских прерий с низким количеством осадков («Старый севооборот», г. Свифт-Каррент, Канада), фосфор удобрений может оставаться в почве в подвижной форме при положительном балансе фосфора. Поэтому запасы подвижного фосфора в почве, накопленные за счет систематического внесения фосфорных удобрений в предыдущие годы, могут помочь сельхозпроизводителям в период высоких цен на фосфорные удобрения. Длительный полевой опыт, который проводится в центральной части Великих равнин США (штат Оклахома), поз­волил выявить изменения как потенциальной урожайности, так и потребности озимой пшеницы в азоте. Опыты на фермерских полях, проводимые CREA (объединения фермеров) в центральной час­ти пампасов Аргентины, продемонстрировали, что определение содержания нитратного азота и подвижного фосфора (метод «Брей 1») в почве позволяет адекватно выявить поля, где следует ожидать отзывчивости растений на применение азотных и фосфорных удобрений. В то же время, определение содержания сульфатной серы в почве дает мало информации о возможной отзывчивости пшеницы на применение серных удобрений. Представленное краткое обобщение результатов длительных полевых опытов, которые проводятся в Северной и Южной Америке, свидетельствует о глобальной значимости подобных исследований для совершенствования наших представлений о стратегиях повышения плодородия почв и улучшения системы применения удобрений под пшеницу.

Д-р Арналл – ассистент-профессор по точному применению удобрений кафедры растениеводства и почвоведения Университета штата Оклахома (США); e-mail: b.arnall@okstate.edu.

Д-р Гарсия – Директор Международного института питания растений по Югу Латинской Америки; e-mail: fgarcia@ipni.net.

Представленные в данной статье материалы были изначально опубликованы в работе Селлеса с соавт. (Selles F., Campbell C.A., Zentner R.P., Curtin D., James D.C., Basnyat P., 2011) «Эффективность использования фосфора из удобрений и тенденции многолетних изменений в содержании доступного фосфора в почве при системах возделывания пшеницы с применением и без применения азотных удобрений». Канадский журнал по почвоведению (2011), 91: 39-52. Частично перепечатано с разрешения Сельскохозяйственного института Канады.

Литература

Berardo, A. 1994. Boletín Técnico No. 128. EEA INTA Balcarce.

García, F. 2004. En Actas Congreso “A Todo Trigo”. Mar del Plata, Argentina. 13 and 14 May 2004. FCEGAC. pp. 55-62.
García, F., M. Boxler, J. Minteguiaga, R. Pozzi, L. Firpo, G.D. Marin, and A. Berardo. 2007. Better Crops Vol 91 3: 11-13.
García, F., M. Boxler, J. Minteguiaga, R. Pozzi, L. Firpo, I. Ciampitti, A. Correndo, F. Bauschen, A. Berardo and N. Reussi Calvo. 2010. Resultados y conclusiones de los primeros diez años 2000-2009. 2a. ed. AACREA. Buenos Aires, Argentina. ISBN 978-987-1513-07-9. 64 p.
Pelton, W.L., C.A. Campbell, and W. Nicholaichuk. 1967. In Proc. of Hydrol. Symp. 6, Soil moisture. National Research Council of Canada, Ottawa, ON. pp. 241-263.
Selles, F., C.A. Campbell, R.P. Zentner, D. Curtin, D.C. James, and P. Basnyat. 2011. Can. J. Soil Sci. 91:39-52.
Zamuner, E., H.E. Echeverría, and L.I. Picone. 2004. Actas CD XIX Congreso Argentino de la Ciencia del Suelo. Paraná, Entre Ríos. AACS.

Перевод с английского и адаптация: В.В. Носов.