Агрохимия, 2020, № 6, стр. 3-13

ВВЕДЕНИЕ

Растущее население земного шара требует соответствующего количества продовольствия. Прирост населения за 2005–2016 гг. составил 1 млрд человек. К 2030 г. прогнозируется численность населения 8.5 млрд, к концу текущего столетия, по оценкам ООН, – 11.2 млрд человек [1]. Наряду с этим сокращается посевная площадь в расчете на одного человека (рис. 1). Если в настоящее время она составляет 0.18 га, то к 2050 г. снизится до 0.15, к 2100 г. – до 0.12 га [2]. Кроме использования растениеводческой продукции в продовольственных целях все в большей степени она будет применяться для производства биоэнергии и в других промышленных целях [3]. Все это диктует необходимость постоянного наращивания производства продукции сельского хозяйства.

Данные мировой статистики говорят о том, что за последние 40 лет на долю минеральных удобрений приходится 40% прироста производства продовольствия. По данным ФАО [4], потребление минеральных удобрений в 2016 г. достигло 197.5 млн т (рис. 2).

Это не случайно, поскольку среди основных факторов повышения урожайности (сорт, средства защиты растений и другие) главным остается применение удобрений и химических мелиорантов. В основных сельскохозяйственных регионах Российской Федерации объемы внесения минеральных удобрений несопоставимы с мировой практикой, средний уровень их внесения в целом по стране остается на низком уровне (мировая практика: в Европейском союзе – 130, в Латинской Америке – 90, в Китае – 440–526, Бельгии – 276–322, Германии – 199–206, США – 134 кг/га). Среднемировым показателем (≈100 кг/га) Россия уступает почти в 5 раз. Как правило, в тех странах, где получают наиболее высокие урожаи, минеральные удобрения применяются в высоких дозах [5, 6]. Сюда относятся Китай, Бельгия, Нидерланды, Великобритания, Германия. Из постсоветских республик наибольшее количество на 1 га посевной площади вносят в Белоруссии. Из представленных данных хорошо видно, что урожайность зерновых культур 8–9 т/га достигается только при внесении высоких доз удобрений.

Несмотря на то, что в 2017 г. в России производство минеральных удобрений достигло 22.6 млн т д.в., что на 41.4% было больше показателей 1990 г., их внесение под посевы сельскохозяйственных культур в объеме 2.5 млн т д.в. снизилось почти в 4 раза (табл. 1).

Если в 1990 г. на 1 га посева сельскохозяйственных культур вносили 88 кг д.в. и удобряли 66% их посевной площади, то в 2017 г. эти показатели составили соответственно 55 кг д.в. и 58%, что почти в 2 раза меньше, чем требуется для нормального питания растений, и в 4 раза меньше, чем в европейских странах, и сравнимо лишь с некоторыми государствами, относящимися к группе развивающихся.

Опыт получения высоких урожаев имеется и в нашей стране. Результаты многочисленных полевых опытов, проведенных научно-исследовательскими институтами и агрохимической службой, а также результаты работы сельскохозяйственных предприятий свидетельствуют, что подъема урожайности можно добиться только за счет планомерной и целенаправленной работы по повышению плодородия почв путем применения удобрений, химической мелиорации и средств защиты растений. Степень почвенной кислотности, повышение фосфатного и калийного уровней почв способствует резкому подъему урожайности. Это хорошо видно на примере одного из длительных полевых опытов ВНИИА, который был заложен в 1956 г. на малоплодородной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве, занимающей 2.3 млн га в Нечерноземной зоне и составляющей 28% от площади пашни (рис. 3).

Данные поля характеризовались очень сильной степенью кислотности (рН 4.3), очень низким содержанием подвижного фосфора (21 мг/кг), средним содержанием подвижного калия и гумуса (1.6%). Продуктивность составляла 12 ц к.е./га. В результате комплексного применения известковых, органо-минеральных удобрений и средств защиты растений за 60 лет снизилась кислотность почв, повысилось содержание гумуса, содержание подвижного фосфора возросло в 10 раз и составило 300 мг/кг. Содержание калия увеличилось в 2 раза. Баланс питательных веществ при этом складывался с превышением их поступления в почву над выносом урожаем. Все это в совокупности обеспечило резкий подъем урожайности возделываемых культур. Продуктивность севооборотов постепенно увеличивалась и достигла 50 и более ц к.е./га. Наряду с этим, повысилась окупаемость минеральных удобрений прибавкой урожая с 4.2 до 18.0 кг/кг.

Согласно оценке Всероссийского НИИ агрохимии, при внесении удобрений <20 кг д.в./га урожайность зерна составляет 77 млн т на посевной площади 45 млн га (по Росстату, в 2017 г. в России зерновые заняли 45.4 млн га). При увеличении объема вносимых удобрений до 100 кг/га урожай повысится до 113 млн т, при 150 кг/га – до 144, при 200 кг/га – до 185 млн т. При этом необходимо учитывать возвращение элементов питания в биологический круговорот. Если экспортируется 30 млн т зерна, то безвозвратно вывозится из страны более 750 тыс. т азота. А если еще приплюсовать фосфор и калий, то эта величина возрастет еще больше [7–9].

Даже в условиях двукратного роста к 2025 г. (на 7% в год) объемов внесения в почву минеральных удобрений российскими сельскохозяйственными производителями это составит только 40% общей потребности.

Анализ использования удобрений и средств химической мелиорации почв в период интенсивной химизации (1971–1995 гг.) также показывает, что благодаря их внесению в дозах, превышающих вынос питательных веществ урожаями сельскохозяйственных культур, баланс питательных веществ в земледелии страны был положительным, что способствовало резкому повышению плодородия почв в целом в России и особенно в Нечерноземной зоне (табл. 2).

По данным первого цикла агрохимического обследования, больше половины пахотных почв характеризовались низким содержанием подвижного фосфора и 16% – низкой обеспеченностью подвижным калием. Почвы Нечерноземной зоны характеризовались более худшими показателями, в которой кислые почвы составляли 83, низко обеспеченные подвижным фосфором – 64 и калием – 39% (табл. 3).

В период интенсивной химизации благодаря систематической и целенаправленной работе по повышению плодородия в стране наметилась устойчивая тенденция к улучшению агрохимических свойств пахотных почв. Интенсивное известкование позволило за короткий срок снизить долю кислых почв в целом по России с 57 до 34%, в Нечерноземной зоне – с 83 до 52%. За этот период удельный вес пашни с низким содержанием Р₂О₅ сократился до 22, K₂О – до 9%, в Нечерноземной зоне – соответственно до 16 и 22%.

Использование результатов многочисленных полевых опытов позволило определить возможную продуктивность пахотных почв без внесения удобрений и с их применением. Согласно нашим расчетам, исходя из агрохимических свойств почв первого цикла обследования, урожайность зерновых культур без внесения удобрений могла составить 16.5 ц/га, в Нечерноземной зоне – 14.1 ц/га. В 1996 г., как уже было сказано, благодаря положительному балансу питательных веществ в земледелии значительно улучшились агрохимические свойства пахотных почв, продукционная способность которых повысилась до 18.4 ц/га в целом по России и до 22.7 ц/га в Нечерноземной зоне, т.е. потенциал почв этого региона оказался выше среднероссийского на 3.2 ц/га.

Начиная с 90-х годов прошлого столетия, применение удобрений сократилось, практически прекратилось известкование кислых почв. Баланс питательных веществ в земледелии страны стал складываться со значительным превышением выноса над их поступлением в почву, что повлекло за собой снижение содержания подвижных форм фосфора и калия в почвах, увеличению доли площади кислых почв. В наибольшей степени эти негативные изменения коснулись Нечерноземной зоны. Доля кислых почв возросла с 52 до 60%, с низкой обеспеченностью подвижным калием – с 22 до 27%. Эти показатели были характерны для зоны в целом. В отдельных областях, таких как Костромская, Орловская и Рязанская, средневзвешенное содержание подвижного фосфора перешло из группы повышенно обеспеченных в среднюю, в Брянской, Владимирской, Ивановской, Костромской, Орловской и Тверской обл. аналогичное положение отмечено для содержания подвижного калия. Согласно нашему прогнозу, в названных регионах вследствие деградации почв по агрохимическим показателям потенциальная урожайность зерновых культур без внесения удобрений снизилась на 4.4–6.8 ц/га, или на 13–23% (табл. 4).

Согласно долгосрочному прогнозу социально-экономического развития РФ на период 2030 г., намечено значительно увеличить объем производства зерна и довести его к 2030 г. до 145–150 млн т. Для этого необходимо довести среднюю урожайность зерновых культур в целом по стране до 36–38 ц/га. Совершенно очевидно, что решение этой задачи возможно только при систематическом повышении плодородия почв путем комплексного агрохимического окультуривания полей. Об этом свидетельствуют результаты многочисленных полевых опытов научно-исследовательских институтов и агрохимической службы во всех природно-климатических зонах страны. Это хорошо видно на примере озимой пшеницы. Группировка экспериментальных данных, согласно принятым градациям по степени кислотности почв и содержанию в них минерального азота, подвижных форм фосфора и калия, позволила оценить комплексное влияние этих факторов на урожайность и эффективность азотных удобрений (табл. 5).

Перевод почв из категории низко окультуренных в повышенно окультуренные по агрохимическим показателям позволяет повысить урожайность данной культуры без применения удобрений на дерново-подзолистых и серых лесных почвах в 4–5 раз, на черноземах выщелоченных – в 3.8, на черноземах карбонатных – в 3 раза, на каштановых почвах – в 4.2 раза (рис. 4).

Кроме того, для каждого из рассмотренных типов почв отмечена значительная разница в эффективности применения азотных удобрений в зависимости от степени кислотности и обеспеченности подвижными формами фосфора и калия. При повышении степени окультуренности по агрохимическим показателям возрастала прибавка от азотных удобрений на дерново-подзолистых и серых лесных почвах, а также на черноземах выщелоченных. На остальных почвенных разностях эффективность азотных удобрений была примерно одинаковой (рис. 5).

В последнее время усилилась работа по выведению новых сортов зерновых культур, которые характеризуются более высокой продуктивностью. Однако потенциал этих сортов, по данным МосНИИСХ, реализуется в производственных условиях только на 30–40% [12]. Основной причиной такого положения является несоответствие почвенно-агрохимических условий полей, на которых были выведены высокоурожайные сорта, и полей сельскохозяйственных предприятий (табл. 6, 7).

Возьмем, например, сорта озимой пшеницы МосНИИСХ, которые характеризуются урожайностью 100 т/га и выше (табл. 8). Они получены и испытаны на высокоокультуренных почвах, в которых среднее содержание подвижного фосфора составляло 270–355 мг/кг, т.е. было очень высоким. Таких площадей в Нечерноземной зоне насчитывается только 11%. Кроме того, под эти сорта были внесены минеральные удобрения в высоких дозах – от 180 до 360 кг NPK/га, тогда как в настоящее время в среднем в России под зерновые культуры применяют всего лишь 35–40 кг NPK/га посевной площади.

На почвах, которые характеризуются средней степенью обеспеченности Р₂О₅, для получения высоких урожаев требуется кроме внесения высоких доз азота применять также фосфорные и калийные удобрения в дозах ≈100 кг/га, об этом свидетельствуют результаты производственного опыта ВНИИА в 2019 г. (табл. 8).

Следовательно, неправомерно говорить о том, что внедрение только новых высокоурожайных сортов позволит резко увеличить урожайность зерновых культур в нашей стране. Совершенно очевидно, что без повышения плодородия почв и внесения удобрений нельзя добиться получения намеченных урожаев. Причем это касается не только Нечерноземной зоны, но и остальных регионов.

Например, опыты, проведенные на черноземе выщелоченном в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края, показали, что в среднем за 3 года исследований урожайность озимой пшеницы >5 т/га можно получить только при внесении необходимого количества питательных элементов, поскольку все новые сорта предъявляют высокие требования к условиям минерального питания и хорошо отзываются на внесение удобрений.

Применение высоких доз NPK (441 кг/га) повысило урожайность по сравнению с дозой N63P52 в зависимости от сорта на 5.2–5.6 т/га (табл. 9). Из приведенных данных видно, что добиться резкого повышения урожайности зерновых культур можно только путем целенаправленного регулирования плодородия почв и доведения его параметров до оптимальных показателей. Для организации этой работы на научной основе нужна надежная нормативно-справочная база, которая позволяла бы разрабатывать систему применения удобрений с учетом складывающихся условий по состоянию плодородия почв и экономических критериев. В настоящее время ситуация такова, что при отрицательно складывающемся балансе питательных веществ в земледелии происходит снижение их содержания в почвах и для того, чтобы контролировать и прогнозировать этот процесс, нужны нормативные данные, характеризующие размер выноса элементов питания, который снижает их содержание в почве (табл. 6). Подобные исследования уже проводили, но они коснулись только почв Нечерноземной зоны. Анализ результатов длительных полевых опытов, проведенных в последнее время, не в полной мере расширил представление об этих величинах.

Наряду с этим, не снят вопрос о совершенствовании нормативно-справочной базы доз удобрений, которые надо внести сверх выноса, чтобы повысить содержание Р₂О₅ и K₂О до намеченного уровня (табл. 7).

Научной основой для прогнозирования содержания подвижного фосфора послужили опыты, проведенные много лет назад, и, хотя использование этих данных при организации работ по повышению плодородия почв в свое время дало положительный результат, тем не менее они нуждаются в совершенствовании. В первую очередь следует обратить внимание на разработку критериев регулирования содержания калия в зонах распространения черноземных почв, в которых при отрицательном балансе в земледелии степень обеспеченности почв K₂О не уменьшается и даже в ряде случаев увеличивается. Подобные исследования можно выполнить только в длительных полевых опытах.

Согласно долгосрочному прогнозу социально-экономического развития РФ на период до 2030 г. намечено значительно увеличить производство зерна. Этот прогноз разработан с учетом 3-х сценариев: инерционного, базисного и оптимистического. Инерционный сценарий базируется на сохранении достигнутого уровня почвенного плодородия, базовый ориентирован не только на сохранение, но и на повышение плодородия, оптимистический предполагает дальнейшее воспроизводство плодородия почв, что позволит получать среднегодовой валовый сбор зерна 145–150 млн т. В связи с тем, что в настоящее время значительная часть пахотных почв нуждается в агрохимическом окультуривании потребность удобрений определяется как в расчете на планируемый урожай, так и на повышение содержания питательных веществ в почве. Потребность зерновых культур в минеральных удобрениях составит 7/4 млн т, в том числе азотных – 3/2, фосфорных – 2/1 и калийных – 2/1 млн т, общая потребность равна 13.9 млн т (табл. 10).

Исходя из этого, был составлен прогноз баланса питательных веществ в земледелии России к 2030 г., согласно которому при внесении фосфорных удобрений при значительном превышении поступления в почву над выносом позволит постепенно перевести почвы с низким и средним содержанием Р₂О₅ в более высокую категорию, небольшой дефицит калия будет способствовать улучшению калийного режима почв Нечерноземной зоны, так как предполагается основную часть калия направить в этот регион (табл. 11).

Для улучшения фосфатного режима почв Нечерноземной зоны целесообразно использовать фосфоритную муку, как это делалось в годы интенсивной химизации при комплексном агрохимическом окультуривании полей (табл. 12).

При этом дозы фосфора должны быть дифференцированы в зависимости от содержания подвижных фосфатов в почве. Для того, чтобы перевести почвы зоны из очень низкой, низкой и средней степени обеспеченности подвижным фосфором к 2030 г. потребуется внести в сумме 3443 тыс. т фосфоритной муки или в среднем за год по 345 тыс. т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Россия располагает всеми возможностями для повышения плодородия почв и подъема урожайности сельскохозяйственных культур до европейского уровня. Об этом красноречиво свидетельствуют результаты многочисленных и многолетних полевых экспериментов научных учреждений и опыт работы отдельных регионов. В среднем за 2016–2018 гг. в Центральном и Северо-Кавказском федеральном округах внесение минеральных удобрений достигло почти 100 кг/га, что позволило получать урожайность зерновых культур ≈40 ц/га. Такой урожай получают в Канаде при аналогичном уровне применения минеральных удобрений.

Вместе с тем, особое внимание следует уделить повышению плодородия почв Нечерноземной зоны. Представленные исследования убеждают в том, что потребность в минеральных удобрениях даже согласно оптимистическому сценарию в 13.9 млн т вполне реальна, т.к. они составляют всего лишь ≈60% от их производства.

Для того, чтобы затраты на применение удобрений могли дать наибольший эффект, необходимо совершенствовать имеющуюся нормативно-справочную базу, поскольку в агропромышленном комплексе постоянно происходят большие перемены. Выводят новые сорта сельскохозяйственных культур, меняют технику и технологии возделывания, изменяется плодородие почвы и климат. В связи с этим исследования по изучению эффективности минеральных удобрений необходимо проводить постоянно.