Агрохимия, 2020, № 9, стр. 24-31

ВВЕДЕНИЕ

Ячмень является важной продовольственной и зернофуражной культурой многоцелевого назначения. Площадь его посевов в мире составляет ≈82 млн га, в том числе 10 млн га – в России. По данным Росстата, урожайность ячменя в России с 1991 г. выросла с 15.1 до 21.6 ц/га (2018 г.). За этот период максимальная урожайность была получена в 2017 г. – 26.2 ц/га [1].

Яровой ячмень – культура сжатого периода поглощения питательных элементов, причем поступление их в растения происходит неравномерно. Например, почти половину азота, около 1/3 фосфора и 2/3 калия от общей потребности он потребляет уже к завершению фазы кущения [2]. За месяц до созревания (в фазе колошения) корневое питание практически завершается. Это определяет высокие требования к наличию в почве достаточных запасов подвижных форм питательных элементов именно в начальные фазы роста и развития растений. В расчете на 1 т зерна с соответствующим количеством побочной продукции ячмень выносит 20–28 кг азота, 7–12 кг фосфора и 11–24 кг калия, он плохо переносит кислые почвы, оптимальный уровень рН_КСI – 6.0–6.5 [3].

К причинам низкой урожайности ярового ячменя в Нечерноземной зоне относится, прежде всего, плодородие почв (низкое содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия, повышенная кислотность), нарушение технологии возделывания, отсутствие информации о сортовой отзывчивости ячменя на удобрения, а также неустойчивый гидротермический режим в период вегетации и особенно засуха. Частота проявления засушливых лет в историческом плане увеличивается: с ХI по ХХ век она выросла почти в 7.5 раза (с 8 до 60). Аномально жарким и засушливым был 2010 г. [4].

Система удобрения ячменя зависит от хозяйственного назначения зерна. При возделывании на пищевые и фуражные цели важным показателем качества зерна является содержание белка, которое связано с азотным питанием растений. В пивоваренном ячмене первостепенное значение имеет содержание крахмала, связанное с хорошим фосфорно-калийным питанием. Повышенное азотное питание снижает его накопление. В связи с этим разработка системы удобрения ячменя должна быть ориентирована и на его сортовые особенности, и целевое назначение [5].

В связи с развитием пивоваренной отрасли в России отмечен дефицит пригодного для этой цели ячменя, который в значительной степени закупают за рубежом [6]. Основными импортерами являются Германия, Франция и Финляндия. В России площади посева пивоваренного ячменя составляют >360 тыс. га [7].

Свойства ячменя являются, прежде всего, генетически обусловленным признаком, однако существенную роль в формировании промышленно важных качеств зерна играют почвенно-климатические условия и агротехника возделывания [8, 9]. При усиленном азотном питании происходит чрезмерное накопление в зерновках белков, содержание которых в ячмене, используемом в пивоварении, должно быть 8–12% [8]. Более низкое его содержание также нежелательно из-за необходимости белка для питания дрожжей, образования стойкой пены, формирования вкуса и букета пива [10].

Хорошая обеспеченность растений фосфором способствует формированию корневой системы, крупного колоса, накоплению крахмала и повышению экстрактивности зерна. Калийные удобрения также повышают накопление крахмала и экстрактивность зерна, способствуют стабилизации азотного обмена. При недостаточной обеспеченности растений фосфором и калием и высоком уровне азотного питания формируется низкий урожай с повышенным содержанием белка в зерне [11].

В исследованиях на черноземных почвах установлено, что на качество зерна пивоваренного ячменя наибольшее влияние оказывают азотные удобрения. Их доза даже при очень низком содержании нитратного азота в черноземе обыкновенном не должна превышать 30–45 кг/га [12], на черноземе выщелоченном – 34 кг/га [13]. Использование более высоких доз (до 90 кг/га) способствовало росту урожайности, максимально повышало содержание сырого протеина в зерне, снижало содержание крахмала и экстрактивность. Такое зерно не пригодно для пивоварения, но может быть использовано для нужд животноводства.

Действие азотных удобрений на технологические свойства пивоваренного ячменя связано не только с их дозами, но и с соотношением фосфора и калия, а также с условиями влагообеспеченности растений. Например, на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве повышение доз фосфорных и калийных удобрений на фоне достаточной обеспеченности азотом способствовало росту урожайности ячменя и содержания белка в зерне, которое не вышло за пределы нормативных требований [14]. В условиях Курской обл. оптимальное соотношение азота, фосфора и калия для получения качественного зерна ячменя составило 1 : 2 : 2 соответственно, либо его получали при использовании только фосфорных и калийных удобрений [15].

Повышенные дозы азота (N90–120) и дефицит влаги в первой половине вегетации повысили содержание белков в зерне и солоде, что привело к увеличению продолжительности его осахаривания. Дозы N30–60 при благоприятном режиме влагообеспеченности увеличивали урожайность зерна на 10–70% и положительно сказались на пивоваренных свойствах зерна и солода [16].

По данным [17], оптимальные показатели пивоваренных свойств ячменя на дерново-подзолистой почве формируются при достаточной обеспеченности влагой в период развития растений (ГТК = 2.3). В более сухих условиях (ГТК = 1.0–1.3) формируется менее крупное зерно, снижается его экстрактивность, а при внесении азотных удобрений содержание белка может превысить допустимый предел 12%.

На дерново-подзолистых почвах Беларуси с очень высоким содержанием подвижных форм фосфора и калия на фоне дефицитного и поддерживающего баланса фосфора и калия в почве внесение N60 обеспечило формирование урожая зерна ярового ячменя 3.9–5.5 т/га с уровнем содержания белка, соответствующим требованиям для производства пива. Более высокие дозы азота обеспечили получение зерна фуражного направления использования [18].

Таким образом, для получения зерна ячменя, пригодного для пивоваренных целей, необходима разработка научно обоснованной системы удобрения для конкретной зоны выращивания. Цель работы – в условиях длительного полевого опыта на дерново-подзолистой почве Центрального района Нечерноземной зоны установить наиболее эффективные дозы и сочетания минеральных удобрений при выращивании ячменя на пивоваренные цели.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено в длительном стационарном полевом опыте, заложенном в 1967 г. в Смоленском р-не Смоленской обл. по схеме, разработанной В.Н. Перегудовым, на основе теории планирования многофакторного эксперимента. Опыт внесен в “Реестр аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими средствами химизации Российской Федерации” под номером 49 [19]. В работе обобщены результаты исследования, проведенного в 2009–2010 гг. и 2016–2017 гг. в 2-х полях севооборота со следующим чередованием культур: ячмень + многолетние травы – травы 1-го года пользования – травы 2-го года пользования – озимые – ячмень – овес на зеленую массу – овес на зерно. Посевная площадь делянок в первом поле составила 115 м² (23 × 5), во втором – 88 м² (22 × 4), учетная площадь – соответственно 76 м² и 54 м².

Схема опыта приведена в таблицах и представляет собой выборку 1/9 части полного факториального эксперимента (9 × 9 × 9). Изучали возрастающие дозы и разные сочетания азотных, фосфорных и калийных удобрений. Для краткости изложения варианты описаны в кодированных единицах, где первая цифра означает кратность возрастания дозы N, вторая – P₂O₅, третья – K₂О. В 2009–2010 гг. единичная доза N и P₂O₅ составила по 10 кг/га, K₂О – 15 кг/га, в 2016–2017 гг. в связи с улучшением экономической ситуации за нее была принята доза N20Р20К25.

Почва – дерново-подзолистая легкосуглинистая, сформированная на моренном суглинке. Мощность пахотного слоя – 18–20 см. Перед закладкой опыта (1967 г.) почва имела следующую агрохимическую характеристику: содержание гумуса (по Тюрину) – 2.0–2.2%, рН_KCl – 4.9, гидролитическая кислотность (по Каппену–Гильковицу) – 4.2 мг-экв/100 г почвы, содержание обменного калия (по Масловой) – 70–100 мг/кг почвы, содержание подвижного фосфора (по Кирсанову) – 25–50 мг/кг почвы. К концу 7-й ротации плодородие почвы изменилось (табл. 1), что было обусловлено как внесенными за эти годы удобрениями, так и отчуждением питательных веществ урожаями.

В варианте без удобрений (000) за счет 45-летнего отчуждения питательных веществ урожаями сельскохозяйственных культур обеспеченность почвы подвижным фосфором снизилась от низкой до очень низкой, обменным калием – от средней до низкой. На фоне внесения минеральных удобрений она заметно повысилась по сравнению с контролем.

Опытной культурой был яровой ячмень сорта Владимир (оригинатор – Московский НИИСХ “Немчиновка”). В исследовании он шел 5-й культурой севооборота. Сорт среднеспелый, средне засухоустойчивый, умеренно устойчив к пыльной головне, сильно восприимчив к гельминтоспориозу, устойчив к полеганию. Включен в Государственный реестр по Центральному (3) и Центрально-Черноземному (5) регионам с 2007 г. Достоинством сорта является высокая адаптивность к различным условиям возделывания. Он сочетает в себе высокий потенциал продуктивности (8–9 т/га), устойчивость к засухе и кислотности почвы. Максимальная урожайность 7.4 т/га получена в 2005 г. в Липецкой обл. Масса 1000 зерен равна 47–56 г. Вегетационный период – 68–87 сут. Содержание белка в зерне – 9.5–14.5%, экстрактивность – до 82%. Сорт внесен в список пивоваренных и ценных по качеству ячменей [20].

Азотные удобрения вносили в форме N_аа, фосфорные – Р_сд, калийные – в форме K_х.

Учет урожая был проведен сплошным методом. Статистическую обработку экспериментальных данных провели методами дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализа по [21] с использованием компьютерной программы STRAZ. Содержание сырого белка рассчитывали по содержанию общего азота, используя коэффициент 5.7. Массу 1000 зерен определяли по ГОСТ 10842-89.

Агрометеорологические условия вегетационных периодов лет исследования были контрастными. Прохладными и избыточно влажными можно охарактеризовать 2009 и 2017 гг. (ГТК за весь период вегетации ячменя составил 2.39 и 2.06 соответственно), аномально жарким и засушливым был 2010 г. (сумма осадков за май–август составила 80% от климатической нормы; в июле–августе температура воздуха была на 5.7–6.0°С выше среднемноголетней нормы с аномалиями до 34°С в июле и 37.2°С – в августе, а сумма осадков оказалась почти в 2 раза меньше нормы). ГТК в 2010 г. за этот период составил 1.09. Лишь 2016 г. по агрометеорологическим показателям мая–августа был близок к климатической норме (ГТК = 1.6).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 2 приведены данные, характеризующие зависимость урожайности ячменя от доз и сочетаний минеральных удобрений, а также от агрометеорологических условий его выращивания.

Внесение фосфорного и калийного удобрения на фоне обеспеченности растений азотом во все годы способствовало росту урожайности зерна (варианты 300, 330, 303, 333) с наибольшей величиной в варианте с полным минеральным удобрением.

Уровень урожайности зерна был связан с обеспеченностью растений влагой: минимальной она была в аномально жарком и засушливом 2010 г. (ГТК = 1.09), особенно в контрольном варианте, где по сравнению с прохладным и избыточно влажным 2009 г. она оказалась на 30% меньше. Внесение минеральных удобрений сгладило эффект негативных погодных условий 2010 г.: снижение урожайности отмечено на уровне всего 4‒15% по сравнению с соответствующими вариантами 2009 г.

В среднем за 2009–2010 гг. все варианты сочетания удобрений обеспечили достоверную прибавку урожайности по отношению к контролю с максимальным результатом в варианте 333, где была получена урожайность зерна 2.5 т/га. Дальнейшее увеличение дозы NPK или какого-либо его компонента не привело к росту урожайности. Следовательно, лучшей в данных условиях оказалась доза N30P30K45. Следует отметить, что общий уровень урожайности ячменя сорта Владимир остался низким. Причиной этого могла быть излишне кислая почва (рН_КСI 4.5–4.7) и недостаточная обеспеченность ее питательными элементами.

Аналогичная картина связи урожайности ячменя с уровнем влагообеспеченности проявилась и при внесении более высоких доз минеральных удобрений (единичная доза N20P20K25) в 2016–2017 гг. Уровень урожайности в контрольном варианте в среднем за 2 года оказался на 45% больше, чем в среднем за 2009–2010 гг., как эффективнее были и минеральные удобрения. Однако и в эти годы общий уровень урожайности был в 2 раза ниже потенциальной, характерной для данного сорта (8–9 т/га).

В 2017 г. (ГТК = 2.06) в большинстве случаев эффективность удобрений оказалась на 3–17% больше, чем в 2016 г. (ГТК = 1.6). Внесение удобрений позволило существенно повысить ее (на 50–156% по отношению к контрольному варианту). В среднем за 2016–2017 гг. лучшими вариантами можно признать сочетания 333 и 444 (N60Р60К75 и N80P80K100 соответственно). По уровню урожайности они уступили вариантам с гораздо более высокими дозами удобрений (666, 777, 888), в которых, однако, окупаемость удобрений прибавкой урожая оказалась гораздо меньше (табл. 3).

Окупаемость удобрений прибавкой урожая связана как с уровнем прибавки урожая, так и с дозой удобрений. С ростом дозы окупаемость снижалась. В среднем за 4 года исследования в расчете на 1 кг действующих веществ удобрений получено 6.7 кг зерна ячменя.

Различия в урожайности в числе других факторов были связаны с массой 1000 зерен (табл. 4). В годы исследования она не достигла описанных для сорта Владимир показателей (47–56 г). Наименьшей масса 1000 зерен была в 2010 г. (36.9–41.2 г), максимальной – в 2017 г. (41.2–45.0 г), что согласовалось с различиями в урожайности в эти годы. Зависимость между массой 1000 зерен (х) и урожайностью (у) по силе связи была тесной (r = = 0.80–0.99), а по форме – прямолинейной (рис. 1).

Рис. 1.

Корреляционно-регрессионная связь между урожайностью ярового ячменя и массой 1000 зерен.

Важнейшим показателем качества зерна пивоваренных сортов ячменя является содержание в нем белка. Общий его уровень был связан как с режимом влагообеспеченности растений, так и с условиями минерального питания растений (табл. 5).

Во все годы исследования азотные удобрения ожидаемо оказали более сильное влияние на повышение содержания белка в зерне, чем фосфорные или калийные, но в большинстве случаев внесение полного минерального удобрения имело преимущество.

В 2010 г. формирование зерна происходило при аномально высоких температурах и двукратном недоборе осадков по сравнению с климатической нормой (ГТК = 1.09). Содержание белка в нем в этих условиях не вышло за пределы верхнего норматива для ячменя пивоваренного назначения даже при 8-кратном увеличении единичной дозы (N80P80K120), хотя с ростом дозы полного удобрения отмечено последовательное увеличение накопления белка. Тем не менее, во всех вариантах оно было заметно меньше, чем в избыточно влажном 2009 г. (ГТК = 2.39), когда по нормативу содержания белка доза была ограничена 5-кратным увеличением единичной дозы (N50P50K75).

В 2016 и 2017 гг. зерно ячменя имело содержание белка, превышающее норматив для его использования в пивоварении (кроме контрольного варианта в 2017 г.). В среднем за эти годы оно находилось на уровне 12.0–13.8%. Такое зерно пригодно главным образом для пищевых и кормовых целей.

Следует отметить, что в 2016 и 2017 гг. с наиболее близкими к среднемноголетним показателям ГТК (1.6–2.6) в зерне накапливалось больше белка, чем в иных условиях (ГТК = 1.09–2.39).

ВЫВОДЫ

1. Урожайность зерна ячменя сорта Владимир и содержание в нем белка были связаны как с уровнем минерального питания, так и с гидротермическими условиями выращивания растений. Пригодное для пивоваренных целей зерно было сформировано в аномально жарком и засушливом 2010 г. (ГТК = 1.09) во всех изученных вариантах минерального питания, а также в избыточно влажном 2009 г. (ГТК = 2.39) при применении доз минеральных удобрений, не превышавших N50P50K75. При более высоких дозах получено зерно кормового/пищевого направления использования.

2. В годы с ГТК = 1.6–2.06 был сформирован более высокий урожай, с большей массой 1000 зерен, но по содержанию белка зерно не было пригодно для пивоварения и его могли использовать как фуражное. В этих условиях наиболее эффективными оказались дозы N60Р60К75 и N80P80K100.

3. В расчете на 1 кг действующих веществ удобрений в среднем за 4 года получено 6.7 кг зерна ячменя.

4. Азотные удобрения оказали наиболее положительное влияние на накопление белка в зерне ячменя, чем фосфорные или калийные, но в большинстве случаев имело преимущество внесение полного минерального удобрения.