Обоснование и управление плотностью сложения почвы обеспечивающее стабилизацию урожайности зерновых культур

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
В результате проведенного обзора установлено, что интенсификация применения агрохимических средств не приводит к снижению межгодовых колебаний урожайности, в то время как данные колебания являются основным фактором финансовых рисков на производстве. Совершенствование способов обработки почвы никогда не ставило своей задачей повлиять на колебания урожайности возделываемых культур, а «традиционные» цели совершенствования обработки во многом потеряли свою актуальность после перехода к рыночной экономике. Выход из создавшегося положения предложил Конищев А.А. Его предложение принято в качестве основной рабочей гипотезы диссертации.
ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Опыты проводились на полях Ивановского НИИСХ (Ивановская обл.) на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве с толщиной гумусового горизонта 18-20 см, при содержании гумуса 1,60-1,66%, и слабокислой реакцией среды (pH — 5,1-5,3). Содержание доступных для сельскохозяйственных культур элементов питания составляло: доступного фосфора (P2O5) —190-205 мг/кг, обменного калия (K2O) — 150-154 мг/кг почвы.
За время исследования ГТК (гидротермический коэффициент Селянинова) вегетационных периодов колебался от 1,07 до 4,00, в том числе в критические для урожайности первые сорок дней от даты посева ГТК колебался от 0,73 до 4,00. При этом два года исследований характеризовались как годы с избыточным увлажнением, два года засушливые и один год близкий к оптимальному.
Опыты проводились в течении пяти лет. Закладывалось два вида полевых опытов согласно методике опытного дела А.Б. Доспехова. Опыт типа No1 имел модельную направленность, и использовался для выявления влияния на урожайность плотности почвы в: различные периоды вегетации, в разных
слоях почвы, при различных предшественниках, дозах азотных удобрений и режимах увлажнения.
Опыт типа No2 закладывался, для подтверждения возможности снижения годовых колебаний урожайности за счёт использования предлагаемой экспериментальной технологии обработки почвы в сравнении с традиционными для региона. Экспериментальная обработка выполнялась комбинированным агрегатом сочетающим глубокую полосную, предпосевную обработки и посев.
Всего было произведено по 6 закладок опытов обоих типов.
Во всех закладках опыта использовалась яровая пшеница сорта «Сударыня». Обработка гербицидами против сорняков производилась общим фоном в фазу кущения пшеницы.
Опыт No1. Сравнивалось два способа обработки почвы: вспашка и экспериментальная. Изучалось реакция продуктивности пшеницы на естественную неоднородность сложения почвы по фону этих двух способов обработки почвы. Для этого опытный участок разбивался на квадраты 5×5м. Проводилось сплошное обследование полигона с целью выявления квадратов с различной плотностью почвы. На каждом квадрате отбирались пробы почвы ненарушенного сложения в 4 повторениях на глубину 0-10см и 10-20см. Пример схемы опыта представлен на рисунке 1. В 2019 году опыт был дополнен третьим способом обработки — минимальной обработкой почвы.
В 2017 году было три закладки опыта типа No1 с различными сроками сева с целью имитации различных режимов увлажнения.
Опыт No2. Пшеница высевалась по пару и по зерновому предшественнику. Сравнивалось три способа обработки почвы: вспашка (контроль), минимальная обработка и экспериментальная, с применением пяти доз азотных удобрений на каждой обработке. Дозы составляли: N0, N30, N60, N90, N120. Опыт закладывался методом расщеплённых делянок, конечная площадь делянок с удобрениями 60м2, повторность четырёхкратная. Пример схемы опыта представлен на рисунке 2.
Рис.1 Схема опыта первого типа и методика его закладки
Опыт двухфакторный (3х5 факторов)
3 способа основной обработки [вспашка(1), минимальная (2), экспериментальная (3)]; 5 доз азотных удобрений (0,30,60,90,120 кг д.в/га)
Размеры делянок по обработке 7х60 метров по дозе азотных удобрений 7х12 метров Повторность — четырехкратная Размещение делянок по фактору удобрений – рандомизированное
Рис.2 Схема опыта второго типа и методика его закладки 9

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ 3.1 Методика расчета величины оптимальной плотности сложения почвы
В настоящее время при анализе эффективности технологий обработки используется величина оптимальной плотности сложения почвы определённая в модельных (микрополевых) опытах в середине прошлого века, в период совершенствования вспашки как обработки, и регламентирующая сложение почвы перед посевом. С появлением нетрадиционных способов обработки почвы возникла необходимость определения величины «оптимальной плотности» почвы в различные периоды вегетации и на исследуемой глубине. Отсутствие исследований по данному вопросу привело большинство авторов к решению распространять известную величину оптимальной плотности на весь период вегетации и даже на несколько лет вегетации.
В то время как сами разработчики этой величины (Ревут И.Б., Ильин И.Р. и др.) и, в более поздних исследованиях, Медведев В.В. неоднократно отмечали, что плотность почвы является «остро динамичной величиной», значительно изменяющейся в период вегетации, особенно на дерново-подзолистых почвах.
То есть, зависимость урожайности от плотности сложения почвы превращается в чисто формальный показатель, не дающий информации для дальнейшего совершенствования обработки. Это хорошо иллюстрируют данные таблицы 1.
Получается, что по действующим критериям усредненная плотность почвы (слой 0-20см) на обоих вариантах является оптимальной (т.к. укладывается в диапазон «оптимальной плотности» – 1,1 – 1,3г см-3). В то же время разница в плотности объединенного слоя между вариантами не превышает 0,002г см-3 (0,16%), то есть ее практически нет, а разница в урожайности на участках отличается на 14,8%. Объяснить эту разницу, опираясь на величину «оптимальной плотности» перед посевом, невозможно.
Плотность подсеменного слоя (10-20см) между вариантами также отличается незначительно (на 2,7%), поэтому и ее нельзя привлечь к объяснению полученной урожайности.
Таблица 1 – Величина плотности почвы перед посевом яровой пшеницы и урожайность при различном увлажнении вегетационного периода
No п/п
ГТК=2,65
ГТК=2,05
Плотность в слое, см (г см-3 )
Урожайность, т га-1
Плотность в слое, см (г см-3 )
Урожайность, т га-1
0-20
0-10
10-20
0-20
0-10
10-20
1,325
1,26
1,39
3,01
1,150
1,120
1,180
2,55
1,190
1.21
1,17
3,26
1,330
1,330
1,330
2,76
1,210
1,09
1,33
2,81
1,231
1,221
1,239
3,12
1,200
1,15
1,25
3,74
1,230
1,274
1,189
2,64
1,280
1,33
1,23
3,61
1,260
1,296
1,223
2,34
1,330
1,28
1,38
2,53
1,258
1,282
1,235
2,84
1,200
1,23
1,17
3,82
1,290
1,270
1,310
3,09
1,230
1.12
1,34
2,72
—
—
—
—
1,265
1,30
1,23
3,69
—
—
—
–
Средняя
Средняя
в слое 0-20см – 1,248 г см-3 в слое 0-20см – 1,250 г см-3
3,24
в слое 0-20см – 1,244 г см-3 в слое 10-20см – 1,277 г см-3
2,76
Таким образом результативность применения показателя плотности почвы перед посевом для прогнозирования получаемой урожайности и возможности совершенствования обработки вызывает большие сомнения.
Для исправления ситуации предложена методика определения плотности сложения почвы, обеспечивающей максимальную урожайность возделываемой культуры для любого периода вегетации и глубине залегания исследуемого слоя. Подробно предлагаемая методика, порядок действий при ее применении и анализ получаемых результатов изложен в диссертации.
3.2 Выбор периода и слоя почвы наибольшего влияния плотности почвы на урожайность
С целью установления величины оптимальной плотности почвы а также периода развития растений и слоя почвы, в котором величина плотности почвы оказывает наиболее существенное влияние на урожайность яровых зерновых,
были взяты данные по плотности и влажности 5 опытов с различными режимами увлажнения. В качестве примеров использования предлагаемой методики в таблице 2 представлены результаты опыта с ГТК = 2,05 (продолжение таблицы 1) и аналогичные расчеты для условий недостатка влаги в таблице 3 (ГТК=0,73).
Таблица 2 – Влияние плотности почвы на урожайность яровой пшеницы в различные периоды вегетации при ГТК=2,05
Таблица 3 – Влияние плотности почвы на урожайность яровой пшеницы в различные периоды вегетации при ГТК=0,73
*Данные не достоверные, ветви параболы направлены вверх (нет максимума) * * Данные не достоверные по критерию Стьюдента
В результате обработки экспериментальных данных установлено, что достоверное влияние на урожайность яровой пшеницы плотность почвы оказывает преимущественно в фазу развития пшеницы «выход в трубку» в слое 10-20. Аналогичные результаты получены и в остальных трех опытах. Поэтому в дальнейшем, для анализа влияния плотности почвы на урожайность пшеницы, использовалась плотность почвы в фазу «выход в трубку».
3.3 Определение влияния предшественника на величину оптимальной плотности
Установлена необходимость снижения плотности для получения близкого по величине урожая при повторном посеве пшеницы. При сравнении первой и второй культур после пара эта закономерность выступает как тенденция, так как разница не подтверждается критерием Стьюдента. При посеве пшеницы второй
Обработка в слое, см
Количество суток от даты посева
28
51
0-10 Вспашка 10-20
0-20
не дост.*
не дост.**
не дост.**
не дост.*
не дост.**
не дост.*
не дост.*
Дост.
Дост.
Дост.
не дост.*
не дост.**
не дост.**
Дост.
Не дост.**
Обработка в слое, см
Количество суток от даты посева
21
50
Вспашка
0-10
не дост.*
не дост.*
не дост.**
не дост.**
Дост.
10-20
не дост.**
не дост.**
не дост.**
Дост.
не дост.*
0-20
не дост.*
не дост.**
не дост.*
не дост.*
не дост.**
Минимальная
0-10
не дост.*
не дост.**
не дост.*
не дост.*
не дост.**
10-20
не дост.*
не дост.**
Дост.
Дост.
не дост.*
0-20
не дост.**
не дост.*
не дост.*
не дост.*
не дост.*
12

и третьей культурой после пара необходимость снижения плотности достоверна по критерию Стьюдента. Попутно было подтверждено более значительное влияние на урожайность гидротермических условий вегетационного периода (ГТК) по сравнению с влиянием предшественника. Влияние предшественника на урожайность при ГТК равном 2,05 составляет 9%, а при ГТК равном 2,19 – 5,8%, в то время как влияние погодных условий составляет 49%
3.4 Исследование взаимосвязи оптимальной плотности почвы и дозы азотных удобрений
Опыт закладывался по схеме квадратов с различной плотностью почвы и внесением азотных удобрений под предпосевную обработку и посев.
Целью опыта было установление влияния вносимых азотных удобрений на изменение величины оптимальной плотности.
Результаты определения урожайности представлены в таблице 4, а пример сравнительного определения величины оптимальной плотности при внесении различных доз удобрений – в таблице 5.
Таблица 4 – Урожайность пшеницы при различных приемах возделывания, т га-1
НСР05 для фактора удобрений – 0,21 т га-1
НСР05 для фактора обработки – 0,27 т га-1
НСР05 для частных различий – 0,47 т га-1 , точность опыта – 6,86%
Таблица 5 – Примеры определения величины оптимальной плотности почвы по видам обработки почвы и дозам удобрений
Обработка
Доза азотных удобрений
30
90
Вспашка
1,65
2,34
2,57
2,47
2,85
Минимальная
1,73
2,29
2,59
2,73
2,91
Эксперимент.
1,80
2,32
2,54
2,84
2,52
Обработка
Доза азотных удобрений
Аппроксимирующая зависимость (y-урожайность, x-плотность почвы)
Величина оптимальной плотности*
Вспашка
у=404,06Х – 145,03Х2 – 263,23
1,393 (+3,2%)
Минимальная
у=1582,90Х – 564,79Х2 – 1089,36
1,401 (+3,8%)
Экспериментальная
у=653,37Х – 242,75Х2- 418,08
1,346 (-0,3%)
Сводная
у=454,89Х – 168,41Х2 – 288,14
1,350
Вспашка
у=866,25Х – 308,14Х2 – 577,35
1,405 (-0,1%)
Минимальная
у=1458,96Х – 531,64Х2 – 969,74
1,372 (-2,5%)
Экспериментальная
у=2938,27Х – 1086,75Х2 – 1956,72
1,352 (-3,9%)
Сводная
у=1049,17Х – 372,78Х2 – 707,99
1,407
13

Величина оптимальной плотности по вариантам обработки при посеве без удобрений отличается от усредненной величины не более чем 3,8% , и в среднем равна 1,350 г см-3 (табл. 5), При этом разница в урожайности между значениями аргумента 1,350 и 1,401 составляет 0,042т га-1 (2,2% при точности опыта 6,86%). На варианте с дозой азотных удобрений в 120кг д.в/га разброс в величине оптимальной плотности почвы не превышает 3,9% (табл 5), А разница в урожайности между аргументами 1,407 и 1,352 г см-3 составляет 0,113т га-1 (3,76%, при точности опыта 6,86%). При других дозах азотных удобрений отклонение величин оптимальной плотности почвы от средней не превышает 4,3%, при отклонении величины урожайности так же в пределах точности опыта.
Оценка достоверности разницы между выборками по критерию Стьюдента показала, что tфак=0,016 < tтеор=2,37., что означает, что разница недостоверна. Поэтому следует признать, что внесение азотных удобрений не проявляется на величине оптимальной плотности почвы. А непосредственно величина оптимальной плотности должна быть признана равной 1,361 (при ГТК в 2019 году равном 0,73). 3.5 Определение величины оптимальной плотности почвы при различном режиме увлажнения С целью установления диапазона изменения величины оптимальной плотности почвы от режима увлажнения посевов были использованы данные по плотности 5 опытов в годы с различным режимом увлажнения. В соответствии с предложенной методикой, путем аппроксимации устанавливалась зависимость урожайности от плотности почвы за каждый год, затем полученные зависимости исследовались на экстремум. Плотность, при которой урожайность в рассматриваемый год была максимальной принималась в качестве оптимальной. В качестве примера описанных действий представлен рисунок 3. Рис.3 Пример определения плотности максимальной урожайности при ГТК =2.19 , где:У=−192.0551Х2+473.4468x−275.5046; R2≈0.7132; Хоптим=1,208гсм-3 Объединив полученные результаты была составлена таблица 6 с сопоставлением ГТК и оптимальной плотности Таблица 6 – Величина оптимальной плотности в зависимости от гидротермических условий На основании имеющихся данных представленных в таблице 6 мы можем составить график линейной зависимости величины оптимальной плотности почвы в зависимости от режима увлажнения: У= 1,332 – 0,0225Х; R2 = 0.2209; где: (Х) – величина ГТК, (У) – плотность почвы. Однако стоит предположить, что реальной (окончательной) формой графика будет не прямая (об этом свидетельствует и низкая величина коэффициента детерминации), так как плотность почвы как уменьшаться, так и возрастать до бесконечности не может, а зависимость близкая к логистической. С ограничениями по верхней границе определяемой плотностью почвы при влажности почвы близкой к влажности устойчивого завядания растений. Определенная нами величина этой границы близка к 1,4г см-3, а нижняя граница будет определяться плотностью почвы при влажности почвы, равной полной полевой влагоемкости. По нашим данным, для дерново-подзолистой ГТК Оптимальная плотность г/см3 0,73 1,361 2,05 1,295 2,19 1,208 2,43 1,259 4,00 1,282 15 легкосуглинистой почвы эта величина будет близка к 1,2гсм-3. Для построения логистической кривой необходимо проведение дополнительных исследований, преимущественно при значительном недостатке и избытке осадков. ГЛАВА 4. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБРАБОТОК ПОЧВЫ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ Сравнивались традиционные для региона технологии с экспериментальной, формирующей участки различной плотности, являющиеся оптимальными для разных режимов увлажнения. Отношение площадей участков той или иной плотности задаётся установкой параметров экспериментального агрегата. В рассматриваемом случае параметры агрегата закладывались для региона нормального и временно избыточного увлажнения. По закладываемым требованиям экспериментальная обработка не должна показывать меньшую урожайность в сравнении с технологией на базе вспашки при избыточном увлажнении и превосходить её при меньшем увлажнении. При этом эффективность использования азотных удобрений обеспечивается за счёт повышения влагообеспеченности растений. Сравнение проводилось в двух сериях опытов по двум предшественникам — чистому пару и по пшенице. В качестве примера в таблице 7 представлена урожайность яровой пшеницы при недостаточном, нормальном и повышенном увлажнении. Таблица 7 - Урожайность пшеницы при различном режиме увлажнении, т га-1 НСР05 для частных различий 0,34 т га-1 НСР05 для обработки почвы 0,23 т га-1 НСР05 для удобрений 0,28 т га-1 Доза азота, кг дв/га Обработка при ГТК Вспашка Минимальная Экспериментальная 0,73 1,59 2,19 0,73 1,59 2,19 0,73 1,59 2,19 1,61 2,45 1,56 1,73 2,13 2,12 1,80 2,26 2,17 2,34 3,46 1,77 2,29 3,39 2,36 2,32 3,44 2,61 2,57 4,31 1,90 2,60 4,25 2,56 2,54 4,46 2,84 2,47 5,02 1,96 2,73 4,70 2,70 2,84 5,33 2,86 2,85 5,57 1,94 2,91 4,75 2,81 2,52 6,05 2,68 16 При анализе влияния каждого фактора в отдельности учитывалась динамика влажности почвы (Рис.4). Установлено, что получаемая величина урожайности зависит от соотношения режима увлажнения почвы и её плотности в период закладки регенеративных органов пшеницы. Условные обозначения : вспашка; минимальная; экспериментальная Рис.4 Динамика влажности почвы за вегетационные периоды. В результате обработки данных 6 опыто-лет были рассчитаны коэффициенты вариации величины урожайности в зависимости от способов обработки почвы и количества вносимых азотных удобрений (таблица 8). Из таблицы 8 видно что экспериментальная обработка демонстрирует меньшую вариабельность при различных ГТК чем минимальная обработка почвы и вспашка. Повышение вариативности с ростом доз удобрений связан в первую очередь со значительным ростом урожайности при больших дозах азотных удобрений. С этим же связано то что вспашка показывает больший коэффициент вариации чем минимальная обработка. Различные типы обработок почвы демонстрируют различную вариабельность урожайности, это означает что обработка почвы напрямую влияет на величину колебаний урожайности при различном режиме увлажнения и следовательно возможно применение технологий обработки почвы, которые бы позволили снизить данную величину. 17 Таблица 8 - Величина и устойчивость урожаев при различных дозах удобрений и обработке в диапазоне ГТК 0.73-2,65. Эксперим. ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ Для оценки энергоэффективности было произведено сравнение затрат дизельного топлива и времени на посев и предпосевную обработку почвы по трем типам обработки почвы — вспашка (контроль), минимальная и экспериментальная. Для восполнения отсутствующих данных по техническим и экономическим характеристикам экспериментального агрегата были проведены хронометражные наблюдения. Результаты расчётов эффективности для этапов обработка почвы и посев показали, что экспериментальная обработка превосходит по топливной эффективности на данных этапах вспашку, хотя и уступает минимальной обработке почвы, и на 18,2% требует меньше времени на обработку единицы площади. Экспериментальная технология обработки имеет большую среднемноголетнюю урожайность в сравнении с технологиями на базе вспашки (105,3%) и минимальной обработкой(110,8%), а значит можно предположить преимущество в энергоэффективности данной технологии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Доказана возможность определения оптимальной величины плотности сложения почвы в любой период вегетации яровой пшеницы. Предложенная методика позволяет установить послойное влияние плотности на урожайность и достоверность её влияния в любой период вегетации. Обработка почвы Вспашка Минимал. Показатели Урожайность т га-1 Коффициент вариации, % Урожайность т га-1 Коффициент вариации, % Урожайность т га-1 Коффициент вариации, % 1,98 20,27 1,88 18,27 2,03 15,20 Доза азотных удобрений, кг.дв/га. 2,60 25,69 2,47 18,52 2,72 17,70 3,00 29,43 2,85 24,04 3,15 22,89 3,15 34,41 3,02 27,28 3,35 30,42 3,10 40,77 2,93 29,56 3,32 40,49 18 2. Установлено наличие достоверного коэффициента корреляции урожайности и плотности сложения почвы преимущественно в фазу развития пшеницы «выход в трубку». 3. В большинстве случаев достоверный коэффициент корреляции урожайности пшеницы и плотности почвы фиксируется для подсеменного слоя (10 – 20см). 4. При посеве пшеницы первой и второй культурой после пара, предшественник не оказывал влияния на величину оптимальной плотности. При посеве пшеницы третьей культурой после пара зафиксирована необходимость уменьшение величины оптимальной плотности, для исключения снижения урожайности. 5. Влияние погодных условий на урожайность пшеницы значительно превышает влияние предшественника. Например, разница в урожайности между посевом по пару и первой культуры после пара составляет 0,28 т га-1 (2016 год, ГТК=2.05), а разница между посевами второй и третьей культурой после пара – 0,22 т га-1 (2017год, ГТК=2,19). При разнице в урожайности между 2016 и 2017 годами в 49% (0,45 т га-1). 6. При колебании ГТК вегетационных периодов в пределах от 0,73 до 4,00 величина оптимальной плотности колеблется от 1,208 до 1,361г см-3 . 7. Величина оптимальной в период вегетации плотности почвы в подсеменном слое (10 -20см) не зависит от применения азотных удобрений. 8. Средняя урожайность за годы исследований при изменении ГТК в пределах 0,73-2,65 и дозах азотных удобрений 0 – 120кг д.в./га составила по вспашке 2,77 т га-1 (100%), по минимальной обработке 2,51 т га-1 (90,6%), по экспериментальной обработке 2,91 т га-1 (105,1%), с колебаниями урожайности в пределах: 1,98-3,15 т га-1 (по вспашке), 1,88-3,02 т га-1 (по минимальной обработке), 2,03-3,35 т га-1 (по экспериментальной обработке), при одновременном снижении коэффициента вариации годовой урожайности по экспериментальной обработке по сравнению со вспашкой до 5%. 9. Экспериментальная обработка в период «обработка почвы — посев» 19 превосходит по топливной экономичности вспашку на 4% а по затратам рабочего времени на 18,2%. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ Известные в настоящее время технологии и агротехнические приемы, основанные на увеличение применения средств интенсификации производства и использовании технологий обработки почвы, не позволяют снизить влияние погодных условий на продуктивность зерновых культур. Снижение зависимости урожайности яровой пшеницы от погодных условий вегетационного периода возможно при переходе на применение технологии обработки почвы второго поколения. Повышение величины межгодовых сборов зерна при этом составит 5-10% в зависимости от противопоставляемой технологии при одновременном росте производительности труда до 18%.