Оптимизация азотного питания пшеницы на почвах с неблагоприятными физико-химическими свойствами подпахотного горизонта

Общий вид поля в районе г. Варракнабеаля: делянки с разными сроками и способами внесения азотных удобрений.

В «зерновом поясе» Австралии, расположенном на Юго-Востоке страны, широко распространены почвы, подпахотный горизонт которых характеризуется сильной засоленностью, а также высокой солонцеватостью и, соответственно, щелочностью. Протекающие в данных почвах химические процессы ведут к переуплотнению подпахотного горизонта, накоплению токсичных количеств водорастворимого бора, а также снижению доступности почвенной влаги из-за накопления солей. Обследование ряда полей показало, что зачастую может проявляться сразу несколько из вышеуказанных лимитирующих факторов (табл. 1). В результате этого ограничивается рост корневой системы, что не позволяет растениям поглощать влагу и элементы питания из подпахотного горизонта почвы. При этом отзывчивость растений на применение азотных удобрений на таких почвах недостоверна даже в годы с достаточным количеством осадков, что ведет к низкой эффективности использования азота и низкой экономической отдаче от применения азотных удобрений.

Таблица 1. Результаты обследования 36-ти полей в южной части района Малли и в районе Виммера: содержание водорастворимого бора, степень солонцеватости (доля обменного Na от ЕКО) и степень засоления (удельная электропроводность – EC при соотношении почва:Н2О = 1:5) для слоя почвы 0-60 см.
Лимитирующие факторы (в скобках даны критические значения показателей)	Площадь, %
Бор (> 8 мг/кг почвы)	67
Солонцеватость (доля обменного Na > 15%)	67
Засоление (EC > 2 мСм/см)	67
Бор (> 8 мг/кг почвы) и солонцеватость (доля обменного Na > 15%)	56
Бор (> 8 мг/кг почвы) и засоление (EC > 2 мСм/см)	47
Солонцеватость (доля обменного Na > 15%) и засоление (EC > 2 мСм/см)	36

Рис. 1. Регион в северо-западной части штата Виктория (Австралия), где проводились полевые опыты с азотными удобрениями, описываемые в статье.
Карта адаптирована из: Совет по прогнозированию развития мирового сельского хозяйства и Зарубежная сельскохозяйственная служба Министерства сельского хозяйства США.

На рис. 1 показан регион в северо-западной части штата Виктория, где в 2000-2004 гг. была проведена серия полевых опытов. В данном районе количество осадков за вегетационный сезон варьирует от 104 до 596 мм, составляя в среднем 392 мм. В каждом опыте мы оценивали систему применения азотных удобрений под пшеницу. Согласно рабочей гипотезе, отзывчивость растений на азотные удобрения можно улучшить, если доступный растениям азот будет сосредоточен в пахотном горизонте, откуда корневая система сможет его поглощать. Однако содержание доступных форм азота не должно быть слишком высоким, чтобы не допустить чрезмерного роста вегетативной массы и быстрого истощения ограниченных запасов продуктивной влаги в почве. В опытах изучались сроки и способы внесения азотных удобрений, включая дробное внесение, глубокое ленточное внесение при посеве (ниже семян), ленточное внесение в середину междурядий при посеве, допосевное ленточное внесение и внесение вразброс перед посевом. В течение 5-ти лет ежегодно проводилось 14 полевых опытов. Внесение азота в дозе 40 кг N/га до посева не оказывало статистически значимого влияния на урожайность зерна в опытах, проводившихся на почвах с неблагоприятными физико-химическими свойствами подпахотного горизонта. Однако дробное внесение азота и припосевное ленточное внесение способствовали получению достоверной прибавки урожайности (табл. 2). В тех же случаях, когда физико-химические свойства подпахотного горизонта не лимитировали урожайность, достоверных различий между способами внесения азотных удобрений не наблюдалось.

Таблица 2. Отзывчивость пшеницы на применение азотных удобрений (40 кг N/га) при наличии неблагоприятных физико-химических свойств у подпахотного горизонта (10 районов) и при их отсутствии (4 района) в полевых опытах, проведенных в 1999-2004 гг. в северо-западной части штата Виктория.
Опыты	- - - - - - - - - - - Урожайность зерна, т/га - - - - - - - - - - -
	Без азота	Допосевное ленточное внесение1	Припосевное ленточное внесение в середину междурядий2	Дробное внесение3
Все	2.94 a	3.11 ab	3.52 c	3.30 b
При наличии неблагоприятных свойств у подпахотного горизонта	2.80 a	2.92 a	3.45 b	3.17 ab
При отсутствии неблагоприятных свойств у подпахотного горизонта	3.27 a	3.58 b	3.64 b	3.62 b
1Допосевное ленточное внесение проводилось примерно за 2 недели до посева (ширина междурядий – 22 см). 2Припосевное ленточное внесение в середину каждого 2-го междурядья (ширина междурядий – 44 см). 3Дробное внесение: припосевное ленточное внесение в середину каждого 2-го междурядья (50%) + подкормка взразброс в фазу выхода в трубку (50%). (p < 0.05).

Таким образом, полученные данные подтверждают гипотезу о том, что снижение потерь азота из пахотного горизонта за счет дробного или припосевного ленточного внесения азотных удобрений повышает урожайность зерна и эффективность использования азота растениями. При возделывании пшеницы на почвах с неблагоприятными физико-химическими свойствами подпахотного горизонта фермеры могут использовать два вышеуказанных способа внесения азотных удобрений. Однако при этом возникает проблема, связанная с сильным пространственным варьированием физико-химических свойств подпахотного горизонта почв. При внесении единой дозы азотных удобрений для всего поля в зонах с неблагоприятными свойствами подпахотного горизонта может быть внесен избыток азота, а в зонах, где физико-химические свойства подпахотного горизонта не лимитируют урожайность, – недостаточное количество азота. Поэтому для дифференцированного применения азотных удобрений важно разработать простой и недорогой метод, позволяющий выявлять вышеуказанные зоны на полях.
В 2001 г. к северу от г. Бирчип было картировано поле по величине удельной электропроводности (EC) с использованием прибора EM38. Картирование проводилось в начале марта для получения наиболее сильного сигнала в тех случаях, когда предшествующей культурой было использовано наименьшее количество влаги из подпахотного горизонта. Плохое использование влаги из подпахотного горизонта растениями – хороший индикатор неблагоприятных физико-химических свойств данного горизонта. Это обычно связано с засолением и осолонцеванием, что дает высокие показания EC во влажной почве. Токсичное для растений содержание водорастворимого бора или переуплотнение почвы – это также возможные неблагоприятные свойства подпахотного горизонта, однако они не выявляются при измерении величины EC. Следовательно, наличие неиспользованной растениями влаги в подпахотном горизонте почвы после уборки может служить индикатором его неблагоприятных свойств, но не позволяет установить возможные причины. Согласно картограмме, созданной c помощью прибора EM38, высокие значения EC были получены примерно для одной трети поля. Это простирающаяся на запад низинная часть с гильгайными комплексами, для которой характерно сильное пространственное варьирование физико-химических свойств почвы (рис. 2). Гильгаи – бугорково-западинный микрорельеф, характерный для глинистых почв, в которых протекают процессы набухания и усадки при сменяющихся циклах увлажнения-высыхания. Почвы возвышенных элементов рельефа имеют более высокое содержание песчаной фракции. Для данных почв характерны более низкие значения EC, и, предположительно, они имеют меньше ограничений для развития корневой системы в подпахотном горизонте (рис. 3).


Рис. 2. Картограмма удельной электропроводности (мСм/см), измеренной с помощью прибора EM38 в режиме горизонтального диполя в марте. Показано 30 парных участков – внутри и вне полосы с внесением карбамида (ширина полосы – 10 м, ленточный способ внесения, срок внесения – май).


Рис. 3. Физико-химические свойства двух почвенных профилей: глубина проникновения корневой системы на почвах возвышенных элементов рельефа – почти 1 м, а на почвах в низинной части рельефа – около 0.5 м (район г. Бирчип, 2001 г.).
Дается ЕС фильтратов из насыщенных водой почвенных паст и содержание водорастворимого бора.

В мае 2001 г. полосой вдоль поля ленточным способом был внесен карбамид (30 кг N/га). Ширина полосы составила 10 м. Пшеница (сорт H45) была посеяна в середине июня. В начале августа в 30-ти точках, расположенных вдоль удобренной азотом полосы (с интервалом 50 м), был проведен отбор почвенных образцов с помощью бура. Почвенные образцы отбирались также и с примыкающих участков поля, где карбамид не вносился. Уборка проводилась в ноябре, и учет урожайности был проведен c делянок (10 м × 2 м) как в пределах удобренной азотом полосы, так и вне ее. Это позволило сопоставить данные по урожайности зерна и содержанию белка в зерне с физико-химическими свойствами почвы, включая величину EC, картированную с помощью прибора EM38 (рис. 2), в вариантах с внесением и без внесения карбамида. Влияние азотного удобрения на урожайность и содержание белка в зерне определялось рельефом поля и физико-химическими свойствами почвы, включая величину EC. Для каждой делянки была определена стоимость зерна с учетом содержания белка в зерне, а также содержания сорной примеси, и, исходя из полученной урожайности зерна, рассчитана прибыль (австрал. долл./га). Разница между прибылью для делянок с внесением и без внесения карбамида (полоса с внесением карбамида и парно расположенные делянки, где карбамид не вносился), показана на рис. 4. Данный показатель хорошо согласуется со значениями EC для соответствующих частей поля, как следует из картограммы, составленной с помощью прибора EM38.


Развитие корневой системы пшеницы при наличии неблагоприятных физико-химических свойств у подпахотного горизонта (почвенный разрез в районе г. Варракнабeаль).


Подпахотный горизонт с неблагоприятных физико-химическими свойствами (почвенный разрез в районе г. Варракнабeаль).


Рис. 4. Экономическая отдача от применения карбамида (австрал. долл./га): разница между прибылью для делянок с внесением 30 и 0 кг N/гa (30 делянок внутри полосы с внесением карбамида и 30 парно расположенных делянок, где карбамид не вносился). Прибыль рассчитывалась исходя из урожайности зерна и его качества – содержания белка и содержания сорной примеси с использованием «Золотой таблицы премий за качество» Австралийского совета по зерну (AWB ‘Golden Returns’ matrix).

Допосевное ленточное внесение карбамида было прибыльным или же безубыточным примерно для двух третей поля. Согласно картограмме, составленной в марте, здесь были получены значения EC ≤ 0.25 мСм/см.Для одной трети поля были характерны значения EC > 0.25 мСм/см, что соответствует сильносолонцеватым и сильнозасоленным почвам гильгаев. Внесение карбамида приводило здесь к сильному снижению урожайности и, соответственно, прибыли в результате образования большой вегетативной массы в ущерб формированию зерна, а также уменьшения размера зерен.
Средняя урожайность на данном поле при внесении карбамида составила 3.1 т/га, а среднее содержание белка в зерне – 10.5%. На картограмме, показанной на рис. 2, можно провести линию между 23-й и 24-й парами делянок и выделить 2 зоны. Если бы в зоне с неблагоприятными физико-химическими почвенными свойствами не вносился карбамид, средняя урожайность на данном поле составила бы 3.3 т/га, а среднее содержание белка в зерне – 11.0%. При таком дифференцированном внесении азота прибыль была бы выше на 50 австрал. долл./га частично за счет снижения затрат на азотные удобрения, а также за счет повышения качества зерна в зонах с неблагоприятными свойствами подпахотного горизонта. Таким образом, среднюю урожайность зерна на данном поле, а также содержание белка в зерне можно повысить при практически тех же или даже более низких затратах на азотные удобрения.
Картирование величины ЕС, а также изучение отзывчивости на азотные удобрения по вышеуказанной схеме (полоса с внесением карбамида), было дополнительно проведено для 7-ми полей в течение двух сезонов. Согласно классификации почв Австралии (http://www.clw.csiro.au/aclep/asc_re_on_line/soilhome.htm), типичный почвенный покров исследованных полей – это комплексы вертосолей (Vertosols) [«эпикарбонатная» «эндогипернатриевая» самомульчирующаяся серая вертосоль], калькарасолей (Calcarasols) [«эпигипернатриевая» структурированная «гиперкальциковая» калькарасоль] и содосолей (Sodosols) [«вертиковые» и кальциковые красные содосоли]. Учет урожайности проводился близко к точкам отбора почвенных образцов. Сопоставление урожайности внутри и вне полосы с внесением карбамида позволило оценить отзывчивость пшеницы на азотные удобрения.
Согласно полученным результатам, в 2001 г. наблюдалась относительно высокая урожайность и высокая отзывчивость пшеницы на азотное удобрение, а в засушливом 2002 г. – низкая урожайность и низкая отзывчивость на азотное удобрение. Снижение урожайности при внесении азота в зонах с сильнозасоленными почвами было вызвано образованием большой вегетативной массы в ущерб формированию зерна, поскольку запасы продуктивной влаги в почве были недостаточными для налива зерна у наиболее раскустившихся растений. Внесение азотных удобрений в зонах со слабозасоленными почвами способствовало получению высокой прибавки урожайности на пяти из восьми полей. При этом наблюдалось снижение отзывчивости растений на азот с ростом степени засоления почв. Полученные результаты были обобщены в виде уравнения, которое позволяет рассчитать минимально возможную прибавку урожайности при внесении азота в зависимости от показаний прибора EM38.
Данное уравнение было использовано для прогнозирования зон в пределах обследованных полей, где внесение азота может быть экономически выгодным. При этом подразумевается 100-процентная доходность от вложенных в азотные удобрения средств, то есть стоимость прибавки урожая должна в два раза превышать стоимость внесенного удобрения. На одном из полей вероятность такой прибыльности при внесении единой для всего поля дозы азота составила 21%. Однако в случае внесения азотных удобрений только в зонах, где величина ЕС составляет менее 0.75 мСм/см, вероятность получения вышеуказанной прибыли возрастала до 65% (табл. 2). Дополнительное использование такого показателя, как содержание белка в зерне может помочь в решении вопроса о необходимости внесения азота в зонах, где низкие прибавки урожайности зерна от азотных удобрений указывают на экономическую нецелесообразность их применения. Кроме того, отказ от использования азотных удобрений в зонах с благоприятными физико-химическими свойствами почвы может быть оправдан в тех случаях, когда в результате высокой урожайности предшествующей культуры запасы продуктивной влаги в почве сильно истощаются, и в дальнейшем выпадает недостаточное количество осадков для их восполнения.
Стоимость однократного обследования с помощью прибора EM38 составляет порядка 5 австрал. долл./га. Исходя из данных, полученных для 8-ми изученных полей, ежегодная прибыль от дифференцированного внесения азотных удобрений могла бы составить около 5 австрал. долл./га. Подразумевается, что азотные удобрения не используются в зонах с неблагоприятными почвенными свойствами, что составляет 30% от общей площади полей. Для остальной площади полей в данный расчет в качестве примера заложена доза азота, равная 20 кг N/га.
Несмотря на то, что инвестиции, а также временные затраты, связанные с использованием данных технологий точного земледелия, не оправдывают себя из-за низкой прибыльности, получены достаточно обнадеживающие результаты. Они обосновывают внесение азотных удобрений в тех зонах полей, где растения отзываются на азот. При этом оправдано проведение дальнейших исследований по улучшению систем дифференцированного применения азотных удобрений в районах с сильным пространственным варьированием физико-химических свойств подпахотного горизонта.

Д-р Ангус – почетный исследователь отдела по растениеводству Организации стран Британского содружества по научным и промышленным исследованиям (CSIRO Plant Industry), г. Канберра (Австралия); e-mail: john.angus@csiro.au.

Г-н Уолкер – менеджер по техническим вопросам и развитию «Инситек Пивот Фертилайзерс» (Incitec Pivot Fertilizers).

Д-р Педлер – бывший научный сотрудник Мельбурнского университета, г. Хоршам (Австралия).

Д-р Нортон – Региональный директор Международного института питания растений по Австралии и Новой Зеландии, г. Хоршам; e-mail: rnorton@ipni.net.

Соавтор статьи – Чарли Уолкер, обсуждающий систему земледелия на почвах с неблагоприятными физико-химическими свойствами подпахотного горизонта.

Благодарности

Данные исследования финансировались Корпорацией по исследованиям и разработкам в области зерновых культур (CSP340) при поддержке со стороны Организации стран Британского содружества по научным и промышленным исследованиям, Мельбурнского университета, «Инситек Пивот Фертилайзерс» (Incitec Pivot Fertilizers) и Группы по земледелию района Бирчип.

Литература

Angus, J.F., R.M. Norton, J.F. Pedler, C.N. Walker. 2004. Cereal response to N fertiliser in relation to subsoil limitations, Proceedings for the 4th International Crop Science Congress, 26 September – 1 October 2004, Brisbane, Australia. Australian Society of Agronomy. http://www.cropscience.org.au/icsc2004/poster/2/5/1/1170_angusjf.htm

Armstrong, R.D. (Ed). 2009. Identifying, understanding and managing hostile subsoils for cropping. The Profitable Soils Group, 92 p.
Kaur, S., M. Nicolas, R. Ford, R. Norton, and P. Taylor. 2006. Selection of Brassica rapa genotypes for tolerance to boron toxicity. Plant Soil, 285, 115-123.
Kirkegaard, J.A., J.M. Lilley, G.N. Howe, and J.M. Graham. 2007. Impact of subsoil water use on wheat yield. Aust. J. Agric. Res. 58, 303-315.
Norton, R.M., J. Pedler, C.N. Walker, and J.F. Angus. 2003. Optimum management of N fertiliser for wheat growing on alkaline soils. Proceedings of the 11th Australian Agronomy Conference, 2-6 Feb. 2003, Geelong, Victoria. Australia. http://www.regional.org.au/au/asa/2003/p/5/norton.htm#TopOfPage
Nuttall, J.G., R.D. Armstrong, D.J. Connor. 2005. Early growth of wheat (Triticum aestivum cv. Frame, BT Schomburgk, and Schomburgk) is more sensitive to salinity than boron at levels encountered in alkaline soils of south-eastern Australia. Aust. J. Exp. Agric. 46, 1507-1514.
O’Leary, G., J. Peters, and D. Roget. 2006. A new standard for electromagnetic induction mapping of soils for the grains industry. Proceedings of the 13th Australian Agronomy Conference, 10-14 September 2006, Perth, Western Australia. Australian Society of Agronomy. http://www.regional.org.au/au/asa/2006/poster/soil/4586_oleary.htm
Pedler, J., M. Kentish, C. Walker, R. Norton, J. Ferrier, and J. Angus. 2003. Determining zones for yield response to N fertilizer in a paddock with subsoil limitations, using electromagnetic induction techniques. Proceeding of the 11th Australian Agronomy Conference, 2-6 Feb 2003, Geelong, Victoria. Australian Society of Agronomy. http://www.regional.org.au/au/asa/2003/c/15/pedler.htm#TopOfPage

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