Система применения азотных удобрений,направленная на повышение прибыльности и устойчивости возделывания пшеницы

Потери азота из почвы за счет вымывания, а также поверхностного стока негативно влияют на состояние поверхностных и грунтовых вод. В связи с этим были разработаны такие системы земледелия, которые не только повышают доходность фермеров, но и уменьшают неблагоприятные последствия для окружающей среды. В юго-восточной части Австралии в зонах с высоким количеством осадков (>550 мм в год) пастбища для выпаса овец и крупного рогатого скота переводятся в категорию земель для крупномасштабного возделывания сельскохозяйственных культур. С большой долей вероятности можно утверждать, что подобные изменения в структуре использования земель увеличивают поступление азота в поверхностные воды. Это справедливо как применительно к традиционным системам возделывания сельскохозяйственных культур, так и к системам земледелия с использованием приподнятых гряд. Однако пока еще не разработан действенный способ снижения потерь азота при возделывании сельскохозяйственных культур в зонах с высоким количеством осадков.
В ранее опубликованной статье мы описали модель на основе Байесовской сети доверия, разработанную для оценки потерь азота в растворенной форме при возделывании сельскохозяйственных культур в зонах с высоким количеством осадков (Nash и др., 2010). Сеть сводит воедино субъективную и объективную информацию в виде концептуально обоснованной модели с логической и понятной взаимосвязью между потерями азота и основными элементами агротехнологий. При этом проводится и анализ неопределенностей. В настоящей работе для оценки рисков, связанных с потерями азота при возделывании пшеницы в районе г. Дункелд в юго-восточной части Австралии, мы использовали несколько модифицированную Байесовскую сеть. Урожайность была проанализирована с помощью модели продукционного процесса растений APSIM (Keating и др., 2003). Проведен также и анализ чистой прибыли. Продукционный процесс растений и водный баланс моделировались с использованием климатических данных за период 1889-2008 гг. исходя из одинаковых погодных условий и состояния почвы при посеве в течение 120-ти лет. Полученные результаты были использованы для: (a) изучения взаимосвязей между экологическими и экономическими показателями, связанными с применением азотных удобрений; (b) разработки рекомендаций по применению азотных удобрений для сортов пшеницы, различающихся по продолжительности вегетационного периода, при разных запасах минерального азота в почве до посева. Изученные сценарии включали различные комбинации основного внесения азотных удобрений при посеве и подкормок в период вегетации (табл. 1).

Таблица 1. Системы применения азотных удобрений, использованные для сравнения экологических и экономических показателей возделывания пшеницы в районе г. Дункелд.
Система применения азотных удобренийa	Сроки и дозы внесения азотных удобрений
	При посеве	СР31a	СР39a	Сумма
	- - - - - - - - - - - - - - - - - - кг N/гa - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Д0 0N	10	0	0	10
Д0 25N	35	0	0	35
Д0 50N	60	0	0	60
Д0 100N	110	0	0	110
СР31 25N	10	25	0	35
СР31 50N	10	50	0	60
СР31 100N	10	100	0	110
СР39 25N	10	0	25	35
СР39 50N	10	0	50	60
СР39 100N	10	0	100	110
Д0 25N СР31 25N	35	25	0	60
Д0 50N СР31 50N	60	50	0	110
СР31 25N СР39 25N	10	25	25	60
СР31 50N СР39 50N	10	50	50	110
aД0 – посев, СР31 и СР39 – стадии роста 31 и 39 по Цадоксу соответственно (Zadoks и др., 1974).

Влияние различных систем применения азотных удобрений на состояние окружающей среды оценивалось исходя из потерь азота в растворенной форме. «Фактор потерь растворенного N» – это потери азота, взвешенные с учетом вероятности их возникновения с использованием вышеуказанной Байесовской сети. При этом учитывались сортовые особенности, почвенно-климатические условия, а также дозы и сроки внесения азотных удобрений (Nash и др. 2010). «Фактор потерь растворенного N» не является количественной мерой потерь азота. Низкие и высокие значения данного показателя свидетельствуют соответственно о низкой и высокой вероятности потерь азота. Оценку «фактора потерь растворенного N» в зависимости от доз и сроков внесения азотных удобрений проводили для низких, средних и высоких запасов минерального азота в почве до посева (рис. 1). В данное исследование были включены три сорта пшеницы: Сильверстар® (скороспелый); Чара® (среднеспелый) и Маккеллар® (позднеспелый).


Рис. 1. Исходная влажность почвы (a) и запасы минерального азота в почве (b-d), использованные для моделирования. Рисунки (b), (c) и (d) соответствуют высоким, средним и низким запасам минерального азота соответственно. ППВ – предельная полевая влагоемкость, ВЗ – влажность завядания.

Маккеллар – сорт краснозерной пшеницы, который, соответственно, используется на фураж, в то время как Сильверстар и Чара потенциально пригодны для мукомольных целей. Из-за разницы цен на фуражное и продовольственное зерно прибыль для указанных сортов различалась. Как показало моделирование, влияние системы применения азотных удобрений на прибыльность возделывания пшеницы, а также на потери азота в растворенной форме было одинаковым для среднеспелого и позднеспелого сортов, однако «фактор потерь растворенного N» был выше для скороспелого сорта Сильверстар.
В целом, при более высоких исходных запасах минерального азота в почве пшеница характеризовалась более высокой урожайностью независимо от применяемых доз азотных удобрений. Чистая прибыль зависела от дозы азота, исходных запасов минерального азота в почве, а также от сорта (p = 0.001). Чистая прибыль повышалась с ростом дозы азота, составив 264, 444, 539 и 602 австрал. долл./га при внесении 10, 35, 60 и 110 кг N/га соответственно. На полученной кривой выделялось два участка, которые описывались линейной (p = 0.001) и квадратичной функцией (p = 0.001). С ростом плодородия почвы – запасов минерального азота «фактор потерь растворенного N» снижался (составив 4.0, 2.0 и 0.4 единиц при низких, средних и высоких запасах минерального азота соответственно). Данный показатель уменьшался и с ростом доз азота (составив 4.4, 3.2, 2.2 и 1.0 при внесении 10, 35, 60 и 110 кг N/га соответственно).
Полученные результаты предполагают, что при применении возрастающих доз азотных удобрений происходит снижение объемов дренажного стока за счет усиления роста растений и, следовательно, водопотребления. Это оказывает бÓльшее влияние на потери азота, чем повышение содержания минерального азота в почве при внесении азотных удобрений. Соответственно, была получена тесная обратная зависимость между чистой прибылью и «фактором потерь растворенного N» (рис. 2). Мы провели количественную оценку уровня устойчивости агроценозов, разделив чистую прибыль на «фактор потерь растворенного N», и выработали ряд рекомендаций и пояснений по используемым агротехнологиям для возможных сценариев возделывания пшеницы (табл. 2).


Рис. 2. Урожайность зерна пшеницы и чистая прибыль в зависимости от степени воздействия системы земледелия на окружающую среду («фактор потерь растворенного N») в юго-восточной части Австралии (район г. Дункелд). Данная оценка проведена для низких исходных запасов минерального азота в почве и внесения 10 кг N/га при посеве.

Таблица 2. Анализ прибыльности и экологической устойчивости возделывания пшеницы сорта Чара при разных дозах и сроках внесения азотных удобрений, выполненный с использованием модели продукционного процесса растений APSIM и Байесовской сети доверия.
Запасы минерального азота в почве	Суммарная доза азота, кг/га	Чистая прибыль, австрал. долл./га	«Фактор потерь растворенного N», ед.	Уровень устойчивости агроценоза, ед.	Рекомендации
Низкие	110	576	1.1	505	60 кг N/га при посеве и подкормка в СР31a (50 кг N/га).1
Средние	50	750	0.2	>3000	2 подкормки (по 25 кг N/га).2
					ИЛИ
	110	780	0.0	>3000	2 подкормки (по 50 кг N/га).
Высокие	50	873	0.0	>3000	2 подкормки (по 25 кг N/га).3
aСР31 – стадия роста 31 по Цадоксу – различается первый узел (Zadoks и др., 1974). 1Данные рекомендации отражают снижение объемов внутрипочвенного стока при высокой продуктивности пшеницы (в результате использования воды растениями). 2Наиболее подходящая агротехнология. 3Наиболее подходящая агротехнология: верхний диапазон чистой прибыли (максимальное значение минус 30 австрал. долл./га) и низкий риск негативного влияния на состояние окружающей среды.

Результаты данной работы предполагают, что гибкий подход к применению азотных удобрений с целью повышения чистой прибыли способствует также и улучшению показателей устойчивости агроценозов.

Д-р Нэш¹ (e-mail: david.nash@depi.vic.gov.au), Р. Харрис² и П. Риффкин² – исследователи Департамента базовых отраслей промышленности и окружающей среды штата Виктория (¹г. Эллинбанк, ²г. Гамильтон), штат Виктория (Австралия). A. Блэкберн – консультант, «Алан Блэкберн и Партнеры», г. Гилонг, штат Виктория.

К. Ничолсон – консультант, «Никон Рурал Сервисиз» (Nicon Rural Services), г. Квинсклиффе, штат Виктория. M. Макдональд – генеральный директор, Южные системы земледелия, г. Инверлейг, штат Виктория.

Данная статья представляет собой сокращенную версию следующей публикации: Nash, D, P. Riffkin, R. Harris, A. Blackburn, C. Nicholson and M. McDonald, 2013. Europ. J. Agronomy, 47, 23-32.

Литература

Keating, B.A. et al. 2003. European Journal of Agronomy 18, 267-288.

Nash, D.M. et al. 2010. Journal of Environmental Quality 39, 1699-1710.
Zadoks, J.C. et al. 1974. Weed Research 14, 415-421.

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