Агрохимия, 2022, № 1, стр. 21-31

ВВЕДЕНИЕ

Ячмень относится к важнейшей кормовой культуре Центрального Черноземья и по площади превосходит другие сельскохозяйственные растения, культивируемые в зоне. В силу своих биологических особенностей (короткий период произрастания, слабая поглотительная способность корневой системы), он довольно требователен к условиям произрастания.

Одним из основных регулируемых источников элементов питания сельскохозяйственных растений являются минеральные удобрения. Несмотря на значительные объемы научных данных об изменении питательного режима почв под их влиянием остается довольно много невыясненных вопросов, связанных с изменившимися условиями функционирования современных агроценозов. На эффективность минеральных удобрений существенное влияние оказывают содержание в почве азота, фосфора, калия, агротехнические приемы, засоренность посевов, складывающиеся агроклиматические условия, плодородие почвы и др. [1–5]. Наиболее высокая прибавка урожайности ячменя от азотных удобрений отмечена на черноземах [6]. Установлена корреляционная зависимость между количеством осадков и прибавками урожая от дозы азотного удобрения [7]. Тесная корреляционная связь выявлена между урожайностью ячменя и содержанием доступного фосфора в черноземах [8]. Но наибольшая прибавка урожайности отмечена от азотных удобрений [9].

Применение минеральных удобрений в возрастающих дозах стабилизирует почвенную среду, снижает минерализацию органического вещества [10]. Под их воздействием отмечено снижение пестроты почвенного плодородия, стабилизировалась урожайность и снижался коэффициент варьирования продуктивности растений [11].

Многими исследователями отмечена безальтернативность усиления химизации аграрного сектора [12–14]. Несмотря на принимаемые усилия, интенсивно увеличивается отрицательный баланс содержания элементов питания в почвах страны. За период с 1991 по 2015 г. дефицит азота составил 25, фосфора – 12 и калия – 76 млн т, что в среднем составило 40 кг/га [15]. Таким образом, формирование урожайности происходит за счет почвенных запасов.

В то же время в последние десятилетия широко разрабатывают и внедряют в производство различного рода биологически активные вещества и стимуляторы роста сельскохозяйственных культур. В этой связи необходима всесторонняя оценка взаимного комплексного влияния минеральных удобрений и активаторов роста на состояние почвенной среды и формирование продуктивности растений.

Эффективность применяемых стимуляторов роста во многом определяется уровень плодородия. Многими авторами отмечена активизация стартовых процессов роста и развития растений ярового ячменя, повышение уровня минерального питания при действии этих препаратов [16–18]. Производимые многочисленные биопрепараты разных групп оказывают положительное влияние на процессы фотосинтеза, рост и развитие растений, формирование структуры урожая ярового ячменя [19]. Включение в состав агрохимикатов гуминовых веществ повышает эффективность их применения [20]. В связи с этим цель работы – оценка совместного влияния минеральных удобрений и сложных комплексных стимуляторов роста на плодородие чернозема сегрегационного, продуктивность и качество зерна сортов ярового ячменя.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в стационарном опыте, заложенном в 2011 г. на полях НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева (Каменная Степь). Период проведения исследования – 2018–2019 гг. Культура – ячмень яровой. Опыт – трехфакторный. Фактор первого порядка – уровни удобренности севооборота. В схему включены 4 уровня – без удобрений, (NPK)67, (NPK)133 и (NPK)200. Непосредственно под ячмень – без удобрений, N30P30K30, N60P60K60, N90P90K90. Фактор второго порядка – агрохимикаты, примененные в подкормки вегетирующих растений: 1 – без обработки агрохимикатами, 2 – лигногумат в дозе 0.2 кг/га в фазах кущения–начало трубкования и колошения–цветения, 3 – препарат Brentax Triple в дозе 0.4 л/га в фазе кущения–начало трубкования и препарат S. PROGEN growth в дозе 0.4 кг/га в фазе колошения–цветения, 4 – препарат Аквадон-Микро в дозе 3.0 л/га в фазах кущения–начало трубкования и колошения–цветения, 5 – препарат Гуми-20 М Богатый в дозе 1.0 л/га в фазах кущения–начало трубкования и колошения–цветения. Фактор третьего порядка – сорта ячменя: Приазовский 9, Икорец, Таловский 9, 13/14 (перспективная линия), Медикум, Осколец.

Площадь делянок последнего порядка – (3.6 м × × 11 м) 39.6 м². Минеральные удобрения вносили осенью под основную обработку почвы (вспашка на глубину 20–22 см).

Фоновая почва опытного участка представлена черноземом сегрегационным (обыкновенным) среднемощным среднегумусным тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Содержание гумуса в слое 0–30 см – 6.39%, рН_KCl 6.0, гидролитическая кислотность – 1.67 мг-экв/100 г, сумма поглощенных оснований – 46.12 мг-экв/100 г почвы, валовое содержание азота – 0.297, фосфора – 0.170, калия – 1.82%. Содержание подвижных форм фосфора и калия менялось соответственно от 70 до 120 и от 65 до 115 мг/кг почвы.

Коэффициент увлажнения рассчитывали по формуле:

К_увл = ΣО/I, где К_увл – коэффициент увлажнения, ΣО – количество осадков (мм), I – уровень испаряемости (мм).

Погодные условия в годы проведения исследования характеризовались значительной неравномерностью и отклонением от среднемноголетних показателей. Среднегодовая температура воздуха в 2018 и 2019 гг. была выше нормы соответственно на 1.68 и 2.75°С (норма 5.79°С). По количеству выпавших атмосферных осадков за год также можно констатировать их увеличение по отношению к среднемноголетним показателям. В 2018 г. годовая сумма осадков составила 508 мм, в 2019 г. – 450 мм (среднемноголетние – 438 мм). При этом необходимо отметить такую особенность – увеличение количества осадков было характерно только для холодного периода года.

В период вегетации растений ячменя гидротермические условия имели свои особенности. Температура воздуха в апреле превышала среднемноголетние показатели на 1.84–3.24°С (среднее – 6.66°С). В мае различия были более существенными – на 3.8–2.7°С (среднее 14.4°С), в июне – на 0.9–3.0°С (среднее 18.2°С).

В июле 2018 г. температура воздуха превышала среднемноголетние показатели на 2.3°С (среднее 20.1°С). В 2019 г. температурный фон был понижен. Среднемесячная температура равнялась 19.4°С. За период проведения исследования температура воздуха в августе превышала среднемноголетние показатели на 0.1–2.7°С (среднее 19.0°С).

Количество атмосферных осадков в течение летнего периода вегетации было ниже среднемноголетних показателей, за исключением июля. При средних показателях 61.7 мм месячная сумма осадков по годам составила 135.1–108.2 мм. Наиболее критичные условия увлажнения были характерны для первого периода вегетации – мая и июня. При среднемноголетних показателях мая 44.8 мм в годы проведения исследования сумма осадков равнялась 19.2 и 40.3 мм, в июне соответственно 57.0 мм и 3.1–34.2 мм.

Судя по величине коэффициента увлажнения (К_увл), растения ячменя испытывали недостаток влаги и особенно в первый период вегетации. В подтверждение более жестких условий произрастания расчетные величины К_увл были в основном меньше среднемноголетних величин. В апреле при среднем показателе К_увл на уровне 0.55 в годы исследования он равнялся 0.91 (2018 г.) и 0.26 (2019 г.). Для мая условия увлажнения складывались так же не очень благоприятно: К_увл отмечен в пределах 0.14–0.31, что меньше среднемноголетнего показателя (0.41). Аналогично складывались гидротермические условия и в июне. К_увл составил 0.02–0.22 при средней величине 0.46. В годы проведения исследования июль характеризовался высокой степенью увлажнения на уровне 0.9–0.82, что превышало существенно среднемноголетние показатели (0.47).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нитраты имеют важное значение в физиологических процессах в растениях, одновременно являясь источником и постоянным поставщиком окиси азота [21]. В нашем исследовании содержание нитратного азота в почве в большей степени определялось дозой внесенных азотных удобрений во всех фазах развития растений. Обработка растений стимуляторами роста оказывала меньшее влияние. Комплексное использование минеральных удобрений в сочетании со стимуляторами роста оказывало на нитратный режим неоднозначное влияние. На неудобренном фоне и при малых (средних) дозах удобрений их применение отмечено незначительным снижением обеспеченности растений азотом (табл. 1). По мере увеличения удобренности до N90P90K90 внекорневая подкормка биопрепаратами способствовала росту содержания в почве азота. Причем данная закономерность была характерна для всех фаз развития растений ярового ячменя.

Максимально высокое количество нитратного азота отмечено в начале вегетационного периода в контрольном варианте без применения агрохимикатов при внесении минеральных удобрений в дозе N60P60K60_. Более высокая доза N90P90K90 вызывала ингибирование нитрификационных процессов, и количество доступного азота по отношению к другим фонам удобренности (N60P60K60) снижалось. В последующих фазах развития отмечено преимущество удобренных вариантов. В конце вегетации различия в обеспеченности нитратным азотом были несущественными. Сглаживание различий было связано с выносом и потреблением азота на формирование урожая зерна, а также с возможными другими статьями расхода – денитрификацией, выносом сорными растениями, потреблением азота почвенными микрорганизмами.

Минимальное количество нитратного азота было характерно для варианта без удобрений. В среднем в начале вегетации ярового ячменя содержание азота в почве составило 16.0 мг/кг. Применение минеральных удобрений положительно отразилось на обеспеченности растений ярового ячменя азотом. На фоне удобренности N30P30K30 в среднем количество доступного растениям азота равнялось 20.5, увеличиваясь до 24.2 мг/кг на фоне N60P60K60 и 28.2 мг/кг при внесении N90P90K90.

Особый интерес представляют данные изменения обеспеченности азотом при комплексном использовании стимуляторов роста и минеральных удобрений. В неудобренном варианте применение лингогумата и гуми-20 вызывало незначительное изменение содержания нитратного азота. В начале вегетации и в период уборки отмечено снижение его содержания. В фазе колошения при использовании агрохимикатов выявлена тенденция к увеличению количества азота в почве. Комплексное применение минеральных удобрений при малых и средних дозах NPK приводило к снижению содержания нитратного азота, максимальная доза, наоборот, стимулировала накопление нитратов в почве.

Причина изменения содержания в почве нитратного азота возможно связана с повышением поглощения N-NO₃ растениями при обработке гумусовыми веществами (ГВ) [22]. Повышение поглощения нитратов при обработке ГВ объясняется облегчением H⁺/NO-симпорта ионов. ГВ увеличивали поглощение аммонийного азота растениями, при этом увеличивалась активность ферментов малатдегидрогеназы, глутаматдегидрогеназы и фосфоэнолпируваткарбоксилазы [23].

Количество доступного фосфора, особенно в начальные этапы развития ячменя, играет существенную роль в темпах роста растений и формирования вегетативной массы [24, 25]. Обеспеченность растений подвижным фосфором также в большей степени определялась примененными в исследовании минеральными удобрениями и была пропорциональна их внесенным дозам. Во всех фазах роста растений ярового ячменя минимальное количество доступного фосфора было характерно для варианта без удобрений. В среднем в начальный этап вегетации количество P₂O₅ отмечено на уровне 113 мг/кг (табл. 2). При использовании дозы минеральных удобрений N30P30K30 отмечено незначительное увеличение содержания доступного фосфора до 129 мг/кг. Более существенные различия были свойственны вариантам с внесением средней и повышенной дозы удобрений – до 190 и 265 мг/кг соответственно.

Использование гуматсодержащих агрохимикатов в подкормку вегетирующих растений оказало неоднозначное воздействие на обеспеченность растений фосфором. На естественном фоне минерального питания в начале вегетации стимуляторы роста вызывали снижение концентрации доступного фосфора в почве. В дальнейшем по мере развития растений ярового ячменя можно отметить стабилизацию фосфатного режима и некоторое повышение содержания доступного фосфора в почве.

При комплексном использовании стимуляторов на фоне внесения минеральных удобрений можно констатировать их положительную роль в улучшении обеспеченности растений доступным фосфором. При этом данная закономерность была характерна для малых и средних фонов удобренности. Повышение дозы удобрений до N90P90K90, особенно со второй половины вегетации, вызывало снижение содержания фосфора в почве.

Анализ динамики обеспеченности растений обменным калием показал постепенное снижение его содержания в почве по мере развития растений. Максимальное его количество отмечено в начале вегетации. В среднем на удобренных фонах повышение концентрации доступного калия составило от 8 до 50 мг/кг (табл. 3). Улучшение обеспеченности растений калием было пропорционально увеличению доз минеральных удобрений.

К середине вегетации (фаза колошения) отмечена тенденция к снижению содержания калия, связанная с интенсивным потреблением растениями этого элемента. В варианте без удобрений в среднем содержалось доступного калия 76 мг/кг. Внесение минеральных удобрений в дозе N30P30K30 увеличивало его количество до 90 мг/кг. Повышение фона удобренности до N60P60K60 способствовало росту содержания калия до 97 и до 118 мг/кг при внесении N90P90K90. Применение на минеральном фоне стимуляторов роста в большинстве случаев улучшало обеспеченность растений доступным калием. Особенно заметно данная закономерность прослежена при использовании удобрений в малых и средней дозах (N30P30K30 и N60P60K60).

В рамках проведенной работы дана оценка динамики изменения содержания минеральных элементов в вегетативной массе растений ячменя в зависимости от фона удобренности и сортовых различий ярового ячменя. Для начального этапа развития было характерно наиболее высокое их содержание с максимальными показателями в удобренных вариантах. На фоне без удобрений в фазе трубкования среднее содержание азота составило 2.05% (табл. 4). При использовании удобрений в дозе N90P90K90 содержание азота увеличивалось до 2.16% (на 5.3%). Несколько в большей мере изменялось содержание калия в вегетативной массе: в среднем с 1.78 до 2.13% (на 19.7%). Содержание фосфора в фазе трубкования существенно не менялось в зависимости от фона удобренности.

В большей степени на содержание минеральных элементов в фазе трубкования оказали сортовые особенности культуры. Максимальным количеством азота отличалась Перспективная линия 13/14–2.47% (в варианте без удобрений) и 2.37% (на фоне N90P90K90). Минимальное содержание азота в варианте без удобрений было у сорта Таловский 9 (1.90%), при повышении уровня удобренности до N90P90K90 – у сорта Икорец (1.99%).

Содержание калия в вегетативной массе в варианте без удобрения в зависимости от сорта варьировало от 1.6 до 1.92%: минимальным оно было у сорта Приазовский 9, максимальным – у Перспективной линии 13/14 – (1.92%). На фоне применения минеральных удобрений содержание калия изменялось в более высоких пределах – от 2.01 до 2.28%. Больше калия накапливал сорт Приазовский 9, меньше – сорт Медиум.

По мере роста и развития растений ярового ячменя отмечено снижение содержания минеральных элементов в вегетативной массе. Можно отметить такую особенность, как сглаживание показателей и снижение различий между фонами удобренности. На фоне без минеральных удобрений в фазе колошения содержание азота составило 1.54%, в варианте N90P90K90 – 1.52%, фосфора и калия соответственно 0.58 и 0.56, 1.24 и 1.35%. При этом по отношению к фазе трубкования в большей степени снизилось содержание калия – на 43.5–57.8%, далее – азота (на 33.1–42.1%) и фосфора (на 25.9–30.4%). Более высокие показатели были отмечены на удобренном фоне. В связи с этим можно предположить снижение темпов накопления минеральных элементов в вегетативной массе по мере роста растений на удобренных фонах (эффект разбавления). К середине вегетации также сохранилась дифференциация в темпах накопления азота, фосфора и калия в зависимости от сортовых особенностей ячменя.

Ячмень относится к важной кормовой культуре. Основными показателями качества зерна является содержание белка и крахмала. Показана главая роль минеральных удобрений в изменении белковости зерна. На содержание крахмала их влияние было выражено в меньшей степени. В среднем за годы исследования на естественном фоне удобренности содержание протеина в зерне варьировало в пределах от 11.9 до 12.8% (табл. 5). Применение минеральных удобрений в дозе N90P90K90 повышало белковость зерна до 12.5–13.6% или на 5.6–15.0%. В зависимости от сорта ячменя наибольшим содержанием белка на фоне без удобрений характеризовался сорт Приазовский 9 (12.8%), у сортов Икорец и Линия 13/11 отмечено его минимальное количество (11.9 и 12.0%).

На фоне внесения N90P90K90 белковость зерна ячменя менялась. Максимальным содержанием белка отличался сорт Икорец – 13.6%, близким было его содержание у сортов Таловского 9 и Приазовского (13.4 и 13.3% соответственно). При этом у сорта Осколец было отмечено снижение белковости зерна на фоне внесения минеральных удобрений – с 12.1 до 11.4%.

Содержание крахмала существенно не изменялось в зависимости от фона минерального питания. Средние показатели в вариантах без удобрений и на минеральных фонах питания были практически равнозначными (55.5 и 55.3%). В наибольшей степени содержание крахмала определяли генетические сортовые особенности. В варианте без удобрений наибольшее ее количество отмечено в зерне сортов Таловский 9, Осколец и Линия 13/11 (56.7, 56.1 и 56.0% соответственно). На фоне N90P90K90 высокое содержание крахмала также было у сортов Таловский 9 и Линия 13/11 (56.0 и 56.2%).

Анализ урожайности зерна ярового ячменя показал на ее значительное варьирование в вариантах опыта. В многофакторных опытах на величину конечного результата, кроме изученных факторов, оказывают влияние множество трудноучитываемых показателей. Оценка главных эффектов показала главную роль условий минерального питания (табл. 6), определяющих максимальную продуктивность ярового ячменя. Самая высокая урожайность отмечена при максимальной дозе минеральных удобрений N90P90K90. Она равнялась 2.45 т/га при уровне урожайности в контроле 1.74 т/га. Прибавка, таким образом, составила 0.71 т/га. При рекомендованной для зоны дозе N60P60K60 увеличение продуктивности составило в среднем 0.48 т/га. Минимальная урожайность при внесении удобрений в дозе N30P30K30 была равна 2.04 т/га (больше контроля на 0.3 т/га).

Вторым по значимости фактором повышения сбора зерна были сортовые особенности. При этом варьирование показателей было намного уже по сравнению с влиянием минеральных удобрений. В среднем наибольшую продуктивность обеспечил сорт Медикум – 2.35 т/га, минимальная урожайность была у сорта Икорец – 2.01 т/га. На втором месте по уровню урожайности была Перспективная линия 13/14–2.21 т/га. Сорта Приазовский 9 и Таловский 9 в этом отношении были на одном уровне – 2.11 т/га.

Существует генетически обусловленная реакция сортов на различные уровни минерального питания [5]. Оценка отзывчивости сорта на уровни минерального питания позволяет констатировать различную их реакцию. В контрольном варианте без удобрения (и без обработки агрохимикатами) наибольшая урожайность отмечена у сорта Медикум – 1.80 т/га. У сорта Осколец она была минимальной – всего 1.47 т/га, разница составила 0.33 т/га. Применение удобрений в дозе N30P30K30 способствовало росту урожайности. Так же как и в варианте без удобрения сорт Медикум обеспечил получение максимального сбора зерна – 2.17 т/га. Сорта Приазовский 9, Икорец и Осколец обеспечили равную, но низкую продуктивность – 1.79, 1.75 и 1.80 т/га. Но при этом у сортов Перспективная линия 13/14, Медикум и Осколец отзывчивость на удобрения (прибавка урожайности к контролю) в варианте применения N30P30K30 была наибольшей – 0.38, 0.37 и 0.33 т/га соответственно.

Повышение фона удобренности до N60P60K60 способствовало дальнейшему росту урожайности ячменя. Лидерами были сорта Медикум и Перспективна линия 13/14 (2.25 и 2.20 т/га). Прибавка по отношению к неудобренному варианту составила 0.45 и 0.56 т/га соответственно. Минимальная урожайность была характерна для сортов Осколец и Икорец (1.95 и 1.97 т/га). Но по отзывчивости они не уступали лучшим сортам. Для средней дозы удобрений наименьшая прибавка урожайности зерна отмечена у сорта Приазовский 9.

При внесении N90P90K90 характер формирования урожайности не изменился. Максимальную близкую продуктивность обеспечивали сорта Медикум и Перспективная линия 13/14 (2.42 и 2.43 т/га), у сорта Икорец она была минимальной (2.06 т/га), сорта Осколец и Приазовский 9 занимали промежуточное положение.

Подводя итоги реакции сортов на различные уровни минерального питания, необходимо отметить определенные особенности. Несомненным лидером независимо от фона минерального питания был сорт Медикум. Он обеспечивал высокую урожайность как без применения удобрений, так и при их использовании. Сорта Икорец и Таловский 9 при низкой урожайности в контроле существенно увеличивали свою продуктивность на минеральном фоне питания. В этой связи эти сорта целесообразно возделывать в технологиях с применением удобрений.

Примененные в опыте агрохимикаты оказывали менее заметное воздействие на изменение продуктивности растений ярового ячменя. В среднем в опыте рост урожайности менялся в пределах 0.14–0.21 т/га. Повышение уровня минерального питания в некоторой степени способствовало росту отклика растений ярового ячменя на внекорневую обработку агрохимикатами. Например, в варианте N30P30K30 в сочетании с обработкой растений лигногуматом по отношению к абсолютному контролю увеличение урожайности составило 0.50 т/га, в аналогичном варианте обработки на фоне N60P60K60 – соответственно 0.66, при дозе внесения N90P90K90 – 0.93 т/га. При внекорневой обработке препаратом Гуми-20 М Богатый прирост урожайности равнялся 0.54–0.83 т/га.

ВЫВОДЫ

1. Проведенное исследование эффективного плодородия чернозема сегрегационного позволило выявить влияние удобрений на обеспеченность нитратным азотом, доступным фосфором и калием. Наиболее высокие показатели были отмечены при максимальной дозе внесения удобрений. Содержание нитратного азота в первой половине вегетации при использовании минеральных удобрений увеличивалось на 28.1–76.2% (с 16.0 до 20.5–28.2 мг/кг). Комплексное их применение со стимуляторами роста приводило к снижению содержания азота в почве вследствие его потребления на формирования большей урожайности.

2. Применение минеральных удобрений повышало содержание доступного фосфора на 135–161% по отношению к контролю в первую половину вегетационного периода. Агрохимикаты на фоне малых и средних доз удобрений способствовали увеличению количества P₂O₅ на 36–88 мг/кг по сравнению с контролем.

3. Обеспеченность растений калием под влияние различных доз удобрений повышалась на 5–50 мг/кг. Использование стимуляторов роста в большинстве случаев улучшало обеспеченность растений доступным калием.

4. Минеральные удобрения повышали содержание белка в зерне ячменя с 11.9–12.8 до 12.5–13.6%. При этом отмечена четкая генетически обусловленная дифференциация по накоплению белка в зависимости от сортовых особенностей ярового ячменя. На естественном фоне минерального питания максимальное количество белка в зерне было отмечено для сорта Приазовский 9 (12.8%). На фоне внесения N90P90K90 максимальным содержанием белка отличался сорт Икорец (13.6%). Близкие показатели отмечены у сортов Таловского 9 и Приазовского (13.4 и 13.3 соответственно).

5. В результате применения минеральных удобрений продуктивность ячменя повысилась на 0.3–0.71 т/га. Максимальная урожайность отмечена на фоне применения N90P90K90 – 2.45 т/га (без удобрений – 1.74 т/га). Наиболее отзывчивыми на улучшение условий питания были сорта Медикум, Перспективная линия 13/14.