Агрохимия, 2021, № 11, стр. 49-58

ВВЕДЕНИЕ

В силу специфики биохимического состава овощной продукции особенное место в производстве продуктов питания занимает овощеводство, способное генерировать продукты функционального качества [1–3].

Управление продукционным процессом овощных культур в агрофитоценозах базируется на оптимизации факторов их жизни приемами агротехники [1, 4–6]. Базовым приемом оптимизации условий питания является система удобрения, основанная на учете физиологических потребностей сельскохозяйственных культур и сортов в конкретных почвенно-климатических условиях [4, 6–8]. Последние, как известно, характеризуется значительной пространственной и временной изменчивостью, в том числе и внутри отдельных производственных полей [9–11]. Основными факторами формирования такой пестроты чаще выступают выраженный рельеф поверхности [12–14], неоднородность почвообразующих пород ледникового происхождения [15–17] и нарушения технических требований к качеству применения химических мелиорантов и удобрений [16, 18–20].

Одним из важных путей повышения отдачи от применения удобрений в таких условиях является внедрение точных систем удобрения, основанных на учете мелкомасштабной гетерогенности свойств почвы [21–23]. И хотя достижение значимого агроэкономического эффекта от них отнюдь не гарантировано [23–25], овощные севообороты представляют собой один из самых перспективных объектов их внедрения. Прежде всего это связано с такими факторами как высокая отзывчивость этих культур на применение удобрений [7, 8] и относительная оцененность товарной продукции на продовольственном рынке, сулящая окупаемость весьма затратных прецизионных технологий [22]. Это нашло свое подтверждение и в результатах выполненного ранее комплексного исследования [26]. Одной из его целей в агроэкологическом аспекте была сравнительная оценка воздействия различных вариантов точной системы удобрения на качественные показатели товарной продукции овощного севооборота.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в опорном пункте АФИ, КХ “Прометей” Гдовского р-на Псковской обл., на базе стационарных ландшафтного и модельно-полевого опытов. Их закладке в 2007 г. предшествовало прецизионное обследование агроландшафта пологоволнистой озерно-ледниковой равнины площадью 42 га [16]. Структура его почвенного покрова представляла собой литогенную мозаику полугидроморфных дерново-слабоподзолистых почв, сформированных на морене разной мощности от песчаного до среднесуглинистого гранулометрического состава.

Ландшафтный опыт был заложен по оригинальной методике [22] в пределах трансекты, пересекающей доминирующие в нем агромикроландшафты (АМЛ): элювиальные (АМЛ 1 и АМЛ 2) – на возвышенных элементах с песчаными и супесчаными, элювиально-аккумулятивные (АМЛ 3 и АМЛ 4) – в микро- и мезопонижениях с легко- и среднесуглинистыми разновидностями почв (табл. 1). В каждом из 4-х АМЛ был заложен мелкоделяночный полевой опыт площадью 336 м² (12 × 28 м). Делянка в опыте имела общую площадь 21 м² и учетную площадь – 11.2 м² при систематическом размещении в трехкратной повторности.

В модельно-полевом опыте мелкомасштабную неоднородность почвенного покрова агроландшафта моделировали искусственно набором из 8 полиэтиленовых сосудов без дна площадью 1 м² в четырехкратной повторности. В них была сформирована верхняя часть профиля (горизонты А_пах – 0–22 см и А2В – 22–40 см) дерново-подзолистой почвы разного гранулометрического состава (песчаного, супесчаного, легко- и среднесуглинистого) и уровня окультуренности (слабого и хорошего). В целом пространственная неоднородность почв в опытах была весьма характерной для Нечерноземной зоны и оценивалась средней величиной коэффициента вариации представленных в табл. 1 свойств (37 и 44%).

В ландшафтном опыте был развернут овощной севооборот однолетние травы–картофель–свекла столовая–капуста белокочанная–морковь столовая, в модельно-полевом – редька черная–картофель–свекла столовая–капуста белокочанная–морковь столовая. В посевах и посадках их представляли сорта и гибриды: однолетние травы – овес сорта Скакун и вика посевная сорта Немчиновская Юбилейная, редька черная сорта Зимняя черная, картофель сорта Невский, свекла столовая сорта Бикорес, капуста белокочанная сорта Куизор F₁, морковь столовая сорта Нарбонне F₁.

Схемы обоих опытов двухфакторные. В вариантах фактора А (ландшафтно-экологические и почвенные условия) в ландшафтном опыте изучали 4 варианта агромикроландшафтов, в модельно-полевом опыте – 8 вариантов почвенных разновидностей, отличавшихся грануломерическим составом и уровнем окультуренности. Фактор Б (система удобрения) в обоих опытах формировался 4-мя вариантами: контроль – без удобрений, зональная система удобрения (ЗСУ), точная система удобрения 1 (ТСУ-1) на основе предварительного точного окультуривания почвы и последующего равномерного внесения удобрений, точная система удобрения 2 (ТСУ-2) с использованием ежегодного дифференцированного применения удобрений. В ландшафтном опыте изучали минеральную, в модельно-полевом – органо-минеральную систему удобрения (табл. 2).

В варианте ЗСУ дозы удобрений для всей структуры почвенного покрова были едиными, зависящими от средневзвешенных показателей почвы и планируемой урожайности и в ландшафтном опыте составили: под однолетние травы – N90Р4K50, под картофель – N140Р17K100, под свеклу столовую, капусту белокочанную и морковь столовую – N130Р27K125. В модельно-полевом опыте их уровень достиг: под редьку черную – известь 4.5 т/га + N95Р20K125, под картофель – навоз 45 т/га + N100Р30K90, под свеклу столовую – N130Р50K150, под капусту белокочанную – известь 2.1 т/га + навоз 50 т/га + N120Р10K90, под морковь столовую – N100Р40K130.

В варианте ТСУ-1 при закладке опыта было проведено прецизионное (с учетом свойств каждой почвенной разновидности) окультуривание с применением дифференцированных доз известняковой муки, низинного торфа, фосфоритной муки и сульфата калия (табл. 2). В последующем расчет доз удобрений выполняли на принципах варианта ЗСУ с учетом изменившихся свойств почвенной структуры. Фактический уровень доз составил в ландшафтном опыте: под однолетние травы – N70Р10K30, под картофель – N120Р20K100, под свеклу столовую, капусту белокочанную и морковь столовую – N100Р30K120; в модельно-полевом опыте: под редьку черную – N70K60, под картофель – навоз 45 т/га + + N80K100, под свеклу столовую – N100Р30K130, под капусту белокочанную – навоз 50 т/га + + N100Р10K70, под морковь столовую – N100Р10K120.

В варианте ТСУ-2 средний уровень доз был идентичен варианту ЗСУ, но они дифференцировались по почвенным разностям в ландшафтном опыте: под однолетние травы – N70–110P0–10K30–80, под картофель – N120–150P0–40K80–140, под свеклу столовую – N110–150P0–90K90–190, под капусту белокочанную и морковь столовую – N110–150P0–60K120–190; в модельно-полевом опыте: под редьку черную – известь 0–12 т/га + + N70–110P0–90K60–200, под картофель – навоз 30–65 т/га + N80–110P0–110K70–150, под свеклу столовую – N90–170P0–150K80–240, под капусту белокочанную – известь 2.1 т/га + навоз, 30–70 т/га + N110–135P0–60K40–120 и под морковь столовую – N85–115P10–90K70–200.

В опытах использовали кондиционные партии известняковой муки, аммиачной селитры, азофоски, фосфоритной муки, суперфосфата двойного, калия сернокислого, калия хлористого, а также местные удобрения: торф низинный (влажность 65%, зольность 24%, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 6.1, содержание N – 1.05, Р₂О₅ – 0.07, K₂О – 0.04%), навоз свиной подстилочный полуперепревший (влажность 72–75%, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 6.4–6.8. содержание N – 0.45–0.49, Р₂О₅ – 0.15–0.20, K₂О – 0.24–0.29%).

Образцы основной и побочной продукции отбирали в ходе проведения учетов сплошным весовым методом в трехкратной повторности. Их химико-аналитическое исследование было выполнено в аккредитованной испытательной лаборатории АФИ с использованием стандартизированных методик: содержание общего азота, фосфор и калия – из одной навески после мокрого озоления по Гинзбург–Щегловой–Вульфиус, сырого протеина – расчетным методом от общего азота, крахмал и простые сахара – поляриметрическим методом по Эверсу, нитраты – ионометрическим методом по ГОСТ 29270-95, витамин С – тритриметрическим методом по ГОСТ 24556-89, каротин – хроматографическим методом по ГОСТ 54635–2011.

Статистическая обработка результатов исследования выполнена дисперсионным методом с использованием программы Statistica 7.0 (“Stat Soft, Inc.” США). Основными оценочными характеристиками при этом служили: средняя (m_med), минимальная (m_min) и максимальная (m_max) величина оцениваемого показателя и коэффициент вариации ($C{v}$, %). Достоверность различий оценивали на 95%-ном уровне значимости по критерию Фишера.

Погодно-климатические условия региона проведения исследования весьма благоприятны для эффективного применения практически всех видов удобрений и мелиорантов [6, 27]. При средних за годы исследования параметрах среднесуточной температуры в 14.9°С их варьирование находилось в пределах от 13.5°С в 2008 г. до 16.0°С – в 2010 г. при коэффициенте вариации 6%. Средняя влагообеспеченность вегетационного периода составила 348 мм при варьировании от 257 мм в засушливом 2007 г. до 418 мм – в избыточно влажном 2008 г. и коэффициенте вариации по годам в 17%. Погодные условия 2007 г. оказались одними из самых засушливых за предшествующее 30-летие. В первой половине вегетации 2008 г. они были весьма благоприятны, а во второй – непоправимый ущерб урожаю нанесли обильные затяжные дожди. Остальные годы отличались повышенной теплообеспеченностью (особенно жаркий 2010 г.) и близкими к средним многолетним нормам выпадения осадков. Однако вариабельность их распределения по отдельным месяцам и декадам на уровне в 28–44% создавала разный уровень дискомфорта для отдельных культур севооборота.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Уровень изученных в экспериментах доз мелиорантов и удобрений, особенно в модельно-полевом опыте с его органо-минеральными системами удобрения практически гарантировал оптимизацию комплекса свойств и режимов Апах контрастной почвенной структуры и, как следствие, активизацию продукционного процесса. Параметры улучшения исходных свойств почвы определялись видом и дозами удобрений, вариантом их распределения по площади и балансом элементов питания. Наиболее значимые позитивные изменения закономерно отвечали варианту с предварительным прецизионным окультуриванием почвы. На его фоне в обоих опытах регистрировали улучшение не только физико- и агрохимических свойств (повышение рН_KCl на 0.51 и 1.29 ед., содержания легкогидролизуемого азота – на 28 и 60, подвижных фосфатов – на 26 и 101, подвижного калия – на 56 и 132 мг/кг соответственно), но и весьма консервативных агрофизических кондиций (увеличение доли физической глины на 0.8 и 1.5%, макроструктурных агрегатов – на 8 и 11%, уменьшение средней плотности почвы до 1.24 и 1.11 г/см³ соответственно). В вариантах ЗСУ и ТСУ-2 существенными изменениями были затронуты только агрохимические свойства, а в модельно-полевом опыте – и физико-химические свойства почвы. С учетом равенства доз удобрений в целом по почвенной структуре эти изменения в данном случае не имели значительных отличий по абсолютным показателям и заключались в увеличении (относительно контроля) рН_KCl на 1.13–1.24 ед., суммы обменных оснований – на 2.00–2.25 смоль(экв)/кг, содержания органического вещества – на 0.68–0.71%, легкогидролизуемого азота, подвижных форм фосфора и калия на 20–22, 24–56 и 37–61 мг/кг соответственно. Тем не менее, преимущество точной системы удобрения выражалось в заметном уменьшении пространственной гетерогенности агрохимических свойств почвы в среднем в 2-х опытах с 41% в контроле, до 28, 15 и 22% в вариантах ЗСУ, ТСУ-1 и ТСУ-2 соответственно.

Изученные в модельно-полевом опыте варианты органо-минеральной точной системы удобрения в овощном севообороте характеризовались ощутимо повышенной агрономической эффективностью (рис. 1). Например, в вариантах опыта с одинаковыми дозами удобрений прибавка продуктивности севооборота на фоне ЗСУ составила 95, на фоне ТСУ-2 – 115% к контролю при окупаемости 1 кг NPK – 9.9 и 12.0 зерновых единиц (з.е.) соответственно. На фоне точного окультуривания варианта ТСУ-1 прибавка продуктивности севооборота за ротацию возрастала до 122%, но окупаемость 1 кг NPK снижалась до 3.9 з.е. Однако без учета затрат на предварительное окультуривание почвы она составляла 14.8 з.е. При этом вариабельность продуктивности севооборота по элементарным контурам структуры почвенного покрова уменьшилась с 32 в контроле до 16% в варианте ЗСУ и 9% в вариантах ТСУ-1 и ТСУ-2. Таким образом, превосходство точной органо-минеральной системы удобрения над зональной по показателю продуктивности севооборота достигло 10–14% и его пространственной вариабельности – 44%.

Рис. 1.

Влияние систем удобрения на продуктивность сельскохозяйственных культур и севооборота в модельно-полевом опыте (НСР₀₅: редька – 1.3, картофель – 2.6, свекла – 1.6, капуста – 4.4, морковь – 1.6, севооборот – 2.1 т/га).

Продуктивность культур овощного севооборота в ландшафтном опыте оказалась в 1.9 раза меньше, чем в модельно-полевом (рис. 2), что было связано с существенной разницей в уровне эффективного плодородия почвы и ограниченными возможностями в регулировании ее водного режима. Отдача от минеральной системы удобрения в этом случае оказалась ожидаемо меньше. Уровень прибавок продуктивности севооборота в весьма неблагоприятных агрофизических условиях в ЗСУ и ТСУ-2 достиг 64–72% и практически не зависел от технологии внесения удобрений. Напротив, отдача от прецизионного окультуривания в варианте ТСУ-1 составила 131% к контролю и 41% – к ЗСУ. Коэффициент вариации продуктивности севооборота снизился с 33–37% в контроле и ЗСУ до 23 и 13% – в ТСУ-2 и ТСУ-1 соответственно.

Рис. 2.

Влияние систем удобрения на продуктивность сельскохозяйственных культур и севооборота в ландшафтном опыте (НСР₀₅: однолетние травы – 0.4, картофель – 1.7, свекла – 1.8, капуста – 3.5, морковь – 3.5, севооборот – 2.7 т/га).

Исходя из специфики питания и восприимчивости к изменению агроэкологических условий произрастания под действием изученных вариантов применения удобрений в среднем в 2-х опытах сформировался следующий убывающий ряд отзывчивости относительной прибавкой урожайности на точное окультуривание и систему удобрения в ТСУ-1: морковь столовая (162%) ≥ свекла столовая (159%) ≥ картофель (158%) > однолетние травы (111%) > капуста белокочанная (101%) > > редька черная (92%). Аналогичный ряд отзывчивости на дифференцированное внесение удобрений в ТСУ-2 принял вид: картофель (125%) > > морковь столовая (113%) ≥ свекла столовая (110%) > капуста белокочанная и редька черная (72%) ≥ однолетние травы (70%). При оценке отзывчивости культур на точные системы удобрения в зависимости от уровня снижения пространственного коэффициента вариации урожайности лидирующую позицию заняли наиболее требовательные к плодородию почвы свекла столовая и капуста белокочанная.

Относительно влияния изученных вариантов системы удобрения на качественный состав растительной продукции, полученная информация не столь однозначна. Поскольку химический состав растений весьма жестко контролируется на генетическом уровне, его изменения под влиянием исходных свойств почвы и удобрений (в отличие от урожайности) не всегда были статистически достоверными (табл. 3, 4), а пространственная вариабельность (16%) существенно меньше, чем у почвы. Оценка влияния на качество продукции изученных почвенно-экологических условий показала, что исходные свойства почвы влияли на них боле значимо, чем специфика положения в агроландшафте. Средняя величина пространственного коэффициента вариации показателей качества в контрольном варианте ландшафтного опыта составила 14%, тогда как в модельно-полевом – 17%. Наиболее чувствительным к почвенным условиям по показателю вариабельности оказалось содержание витаминов (27%), калия (25%) и нитратов (23%).

Вследствие оптимизации питательного режима перевод дерново-подзолистой почвы из слабо- в хорошо окультуренное состояние в модельно-полевом опыте увеличил в среднем в зависимости от культуры содержание сырого протеина в овощной продукции на 15% (с 7.0 до 8.1%), калия – на 43% (с 1.35 до 1.93%), витаминов – на 25% (с 44 до 55 мг/кг), нитратов – на 31% (со 138 до 193 мг/кг). На легких (песчаных и супесчаных) почвах в сравнении со средними (легко- и среднесуглинистыми) почвами товарная продукция отличалась повышенным на 8–9 отн.% содержанием сухого вещества и сахаров и, напротив, пониженным на 28 и 15 отн.% – калия и нитратов соответственно.

Характер влияния изученных в опытах систем удобрения на качество овощной продукции имел во многом похожие на описанные выше закономерности, но при этом для отдельных показателей обнаружилось влияние биологических особенностей видов растений и специфики варианта системы удобрения. По чувствительности, выраженной относительным отклонением от параметра контрольного варианта, изученные в опыте показатели качества продукции сформировали убывающий ряд: содержание витаминов (↑46%) > > нитратов (↑42%) > калия (↑27%) > сырого протеина (↑18%) > фосфора (↑8%) > сухого вещества (↓5%) > сахаров (↓↑3%).

Аналогичные убывающие ряды отзывчивости овощных культур на применение систем удобрения по относительному приросту достоверно реагирующих качественных показателей приняли следующий вид:

– содержание витаминов: морковь столовая (62%) > редька черная (50%) > свекла столовая (45%) > картофель (43%) > капуста белокочанная (38%);

– содержание нитратов: картофель (76%) > > свекла столовая (52%) > редька черная (32%) > > морковь столовая (25%) > капуста белокочанная (20%);

– содержание калия: редька черная (39%) > > картофель (33%) ≥ морковь столовая (32%) > > капуста белокочанная (26%) > свекла столовая (20%);

– содержание сырого протеина: картофель (26%) > редька черная (23%) > свекла столовая (15%) ≥ морковь столовая (14%) ≥ капуста белокочанная (13%).

При этом определенную роль в формировании этих рядов играли и погодно-климатические условия. Например, лидирующая позиция в накоплении нитратов в клубнях под действием удобрений занята картофелем во многом благодаря неблагоприятной дождливой и прохладной погоде в процессе их формирования в 2008 г. Напротив, скромное в этом отношении положение капусты белокочанной и моркови столовой было отчасти обеспечено засушливой погодой в 2010 и 2011 гг. Позиция же в этом ряду свеклы столовой, склонной к накоплению нитратов [7, 28], выглядит вполне закономерной.

Оптимизируя почвенные режимы применением мелиорантов и удобрений, удалось снизить коэффициент вариации изученных качественных показателей в среднем в опытах в варианте ЗСУ на 25 отн.% (с 16 до 12%) и в вариантах ТСУ-1 и ТСУ-2 – на 44 отн.% (до 9%). При оценке отзывчивости овощных культур севооборотов по относительному уровню снижения этого показателя они сформировали убывающий ряд: морковь столовая (51%) > капуста белокочанная (42%) > свекла столовая (37%) ≥ картофель (36%) > редька черная (33%).

Сравнительная оценка минеральной (в ландшафтном опыте) и органо-минеральной (в модельно-полевом опыте) систем удобрения показала весьма схожий характер влияния на качество овощной продукции. Тем не менее, существенная разница между ними проявилась в уровне снижения содержания сухого вещества (от недостоверных 0.2% при органо-минеральной до 2.3% – при минеральной системе удобрения).

Зональная система удобрения снизила в среднем содержание в овощной продукции сухого вещества на 5% (с 17.7 до 16.8%), сахаров и крахмала – на 3% (с 9.8 до 9.5%) и, напротив, повысила содержание сырого протеина на 13% (с 7.9 до 8.9%), фосфора – на 6% (с 0.54 до 0.57%), калия – на 22% (с 1.72 до 2.09%), витаминов – на 30% (со 170 до 221 мг/кг) и нитратов – на 42% (со 184 до 261%). Дифференцированное внесение равных доз удобрений и мелиорантов в варианте ТСУ-2 не обеспечило существенного улучшения качества продукции. Ожидаемые положительные эффекты, в том числе относительно снижения содержания нитратов, чаще носили форму тенденции. Однако ее бесспорное превосходство в снижении пространственной вариабельности качества продукции на 25 отн.% имеет важное экологическое значение. Как показали наши более ранние исследования [19], значительная неоднородность партии картофеля по содержанию нитратов зачастую формируется за счет клубней с превышением МДУ нитратов, полученных в очагах переудобренности азотом посевов. А такая ситуация при использовании точной системы удобрения маловероятна.

Овощная продукция с лучшими качественными показателями была получена в варианте ТСУ-1 с предварительным точным окультуриванием почвы и последующим равномерным внесением органических и сниженных доз минеральных удобрений. В целом лучшую склонность к накоплению питательных веществ проявляла корне- и клубнеплодная продукция. За счет комплексной оптимизации свойств и режимов дерново-подзолистой почвы относительно варианта ЗСУ в этом случае удалось незначительно повысить содержание сухого вещества на 5% (с 16.8 до 17.4%), сахаров – на 3% (с 9.5 до 10.0%), сырого протеина на 4% (с 8.9 до 9.3%) и фосфора – на 5% (с 0.57 до 0.60%), более значимо – калия на 13% (с 2.09 до 2.36%) и витаминов – на 16% (с 221 до 257 мг/кг). Вследствие сокращения на 17–21% доз азотных удобрений в этом варианте удалось хоть и незначительно (на 6%), но все же снизить среднее содержание в товарной продукции нитратов с 261 до 245 мг/кг. Это в сочетании с сокращением пространственной дифференциации привело к существенному сокращению рисков загрязнения продукции нитратами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На контрастной по агрофизическим и агрохимическим свойствам структуре почвенного покрова в форме литогенной мозаики полугидроморфных дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности использованные варианты точной системы удобрения (с предварительным точным окультуриванием почвы и ежегодным дозированием с учетом мелкомасштабной неоднородности свойств почвы) обеспечили выраженное преимущество над показателями традиционной зональной системы удобрения по агрономической и экологической эффективности. Их уровень определялся спецификой почвенных условий и систем удобрения, технологией их применения, а также биологическими особенностями культур овощных севооборотов и отдельных оцениваемых показателей. Превосходство в продуктивности севооборота системы на основе прецизионного внесения удобрений достигло 5–10%, а точного окультуривания – 14–41% при снижении ее пространственной вариабельности на 44–51%.

По чувствительности качества продукции к применению удобрений овощные культуры сформировали убывающий ряд: морковь столовая (51%) > капуста белокочанная (42%) > свекла столовая (37%) ≥ картофель (36%) > редька черная (33%), а показатели качества овощной продукции – такой убывающий ряд: содержание витаминов (↑46%) > нитратов (↑42%) > калия (↑27%) > сырого протеина (↑18%) > фосфора (↑8%) > сухого вещества (↓5%) > сахаров (↓↑3%).

Обеспечив выраженную оптимизацию и выравнивание (в среднем на 63%) комплекса важнейших агропроизводственных свойств почвы, система удобрения на основе точного окультуривания превзошла по продуктивности овощного севооборота зональную в органо-минеральном исполнении на 14%, в минеральном – на 41%, по ее пространственной вариабельности – на 44 и 61%, по уровню накопления питательных веществ и витаминов – на 3–16%, по снижению содержания нитратов – на 6% и разнокачественности продукции – на 44%.

Точная органо-минеральная система удобрения на основе ежегодного дифференцированного их внесения превзошла зональную по уровню продуктивности на 10%, пространственной вариабельности урожайности и качества продукции – на 44%, незначительно улучшив ряд показателей накопления питательных веществ в отдельных культурах и сократив риски избыточного накопления нитратов.

Таким образом, даже в непростых современных условиях в овощных севооборотах на контрастных по свойствам дерново-подзолистых почвах внедрение точных систем удобрения является обоснованным и высоко эффективным.