Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.05 Почвоведение
Цель исследований – регулирование плодородия почв и продуктивности пашни с помощью гео-информационной системы. Повышение рентабельности сельского хозяйства основывается на разра-ботке эффективных методов управления производством на основе передовых управленческих и инфор-мационных технологий, включая разработку технологий точного земледелия, а также методов и средств поддержки принятия решений, базирующихся на компьютерном представлении знаний. Основ-ной базой для разработки таких технологий являются данные о состоянии плодородия почв, биомет-рические особенности роста и развития растений, засоренности посевов, подверженности болезням и вредителям. В длительных стационарных опытах Самарского НИИСХ – филиала СамНЦ РАН и на реперных участ-ках ФГБУ САС «Самарская» установлено, что несмотря на возрастающие до 2015 года потери гумуса и питательных веществ, ухудшение агро- и воднофизических свойств, черноземные почвы тестового полигона имеют относительно высокий потенциал продуктивности пашни. Более 50% площадей по-лигона имеют среднее значение гумуса в почве (4-6%), около 80% площадей – высокое содержание по-движных фосфатов (151-200 мг/кг), около 60% площадей пашни – очень высокое содержание обменного калия (180-260 мг/кг). Проведённый в 2019 году мониторинг выявил стабилизацию агрофизических и агрохими-ческих свойств почвы. Переход от традиционных к ресурсосберегающим технологиям обеспечил суще-ственное увеличение подвижных фосфатов на 9 из 12 полей и высокое содержание обменного калия в среднем по полям полигона. По результатам исследований подготовлены электронные картограммы содержания питательных веществ в почвах тестового полигона и агрохимические паспорта полей, получены данные по темпам изменения почвенного плодородия во времени, степени использования пи-тательных веществ почвы и удобрений.
мониторинг, обследование, технологии, почва, плодородие
Повышение конкурентоспособности сельского хозяйства, его экономической эффективности, обеспечения внутренней потребности и увеличение экспорта качественной сельскохозяйственной продукции является в настоящее время основной задачей сельхозтоваропроизводителей. Однако сложность в решении поставленной задачи состоит в том, что в последние десятилетия в Поволжье, как и в других регионах европейской части России отмечено нарастание аридности климата [1-3].
Повышение рентабельности сельского хозяйства в изменяющихся условиях основывается на разработке новых эффективных методов управления производством на основе передовых управленческих и информационных технологий, включая разработку технологий точного земледелия, а также методов и средств поддержки принятия решений, базирующихся, в том числе, на компьютерном представлении знаний [4-6].
Основной базой для разработки таких технологий являются данные о состоянии плодородия почв, биометрические особенности роста и развития растений, засоренности посевов, подверженности болезням и вредителям. Полученные данные дают возможность повысить эффективность работы хозяйства, определить экономически важные направления деятельности и разработать комплекс мероприятий по сохранению почвенного плодородия и увеличению объемов производства продукции [7-10].
Цель исследований – регулирование плодородия почв и продуктивности пашни с помощью геоинформационной системы (ГИС).
Задача исследований – изучение с помощью геоинформационной системы влияния современных ресурсосберегающих технологий на динамику основных показателей почвенного плодородия, водный и питательный режимы почвы.
Материалы и методы исследований. Для отбора почвенных проб предварительно была проведена оцифровка полей тестового полигона с составлением электронной карты, с последующей разбивкой на парцеллы – элементарные участки преимущественно прямоугольной формы. Точки отбора проб (по 5 точек на парцеллу) привязывали к местности с помощью глобальной навигационной системы (GPS), что позволило составить электронные агрохимические картограммы с максимально точным выделением контуров внутрипольной пестроты почвенного плодородия. Отбор почвенных проб производился на полях экспериментального полигона с помощью автоматического пробоотборника Nietfield N2008 и полевого навигатора GARMIN GPSMAP78S. Глубина взятия проб – 30 см, средний размер парцеллы – 4 га.
Почвенные обследования проведены в течение 2015-2019 гг. на полях тестового полигона площадью 2500 га.
Оперативные наблюдения в течение вегетации проводились в соответствии с общепринятыми методиками. Влажность почвы определяли согласно ГОСТ 28.268-89, содержание минерального азота (ГОСТ 26.212-84) и микроэлементов в почве: цинка (ГОСТ Р50686-94), меди
(ГОСТ Р50684-94), молибдена (ГОСТ Р50689-94), кобальта (ГОСТ Р50687-94), серы
(ГОСТ 26490-85), марганца (ГОСТ Р50682-94).
Результаты исследований. По результатам проведенных почвенных анализов специалисты ФГБУ САС «Самарская» составили агрохимические паспорта полей, полученные данные занесли в компьютерную программу ArcGis, с помощью которой построили электронные картограммы содержания элементов питания.
Анализ полученных картограмм показал, что по содержанию гумуса почвы тестового полигона в хозяйстве относятся к малогумусным и слабогумусированным. Площадь пашни с низким содержанием гумуса (2-4%) составила 1200 га или 48% от всей площади полигона, со средним
(4-6%) – 1300 га или 52%.
По содержанию подвижных фосфатов площадь пашни с высокой степенью обеспеченности (IV класс) составила 550 га или 20%, с очень высокой (V класс) – 1950 га или 80%.
По содержанию обменного калия площадь пашни с повышенной обеспеченностью составила 70 га или 5% от общего количества почв, с высокой степенью обеспеченности (IV класс) – 900 га или 35%, с очень высокой (V класс) – 1530 га или 60%.
Математическая обработка данных по содержанию элементов питания показала, что наибольшей изменчивостью характеризовалось содержание обменного калия и подвижного фосфора. Так, колебания численных значений показателей плодородия составили: по обменному калию: от 97,1 до 413,4 мг/кг (среднее значение показателя – 229,0 мг/кг, коэффициент вариации Cv=32,6%); по подвижному фосфору: от 125,0 до 322,0 мг/кг (среднее значение показателя – 221,0 мг/кг, Cv=22,6%); по гумусу: от 2,9 до 5,3% (среднее значение составило 4,1%, Cv = 14,3%).
Наблюдения за динамикой влажности почвы проводились сотрудниками отдела земледелия и новых технологий Самарского НИИСХ – филиала СамНЦ РАН на 12 полях экспериментального полигона площадью 330,5 га.
Отбор почвенных проб экспериментального полигона на влажность в начале вегетации изучаемых культур показал, что количество продуктивной влаги соответствовало уровню среднемноголетних значений благодаря большому количеству осадков в осенне-зимний период и хорошему усвоению накопленной влаги ко времени возобновления весенней вегетации. Наибольшие влагозапасы в метровом слое почвы отмечали на полях с посевами яровой твердой пшеницы после сои – 111,5-149,2 мм (в среднем 131,1 мм) и подсолнечника после ярового ячменя – 134,9-152,6 мм
(в среднем 144,1 мм). На остальных полях полигона содержание продуктивной влаги составило от 87,3 до 121,7 мм. Наименьшее количество влаги наблюдали под посевами яровой мягкой пшеницы, размещенной после подсолнечника – 66,4-77,9 мм (среднее – 70,7 мм).
Высокая температура воздуха и недостаточное количество осадков, по сравнению со среднемноголетними значениями, в начале вегетации привели к иссушению верхнего слоя почвы, из-за чего сложились неблагоприятные условия для накопления нитратов в пахотном слое почвы. Содержание нитратов весной на всех полях полигона было значительно ниже многолетних значений и составило от 2,4 до 9,0 мг/кг почвы.
Наиболее благоприятные фосфорный и калийный режимы почвы были отмечены на полях №7 и №8 с посевами гороха и яровой твердой пшеницы. Количество подвижного фосфора на этих полях составило 235-238 мг/кг, что на 28,0-86,0 мг/кг (12-36%) больше, чем на остальных полях полигона, обменного калия – 250-253 мг/кг, что больше на 10,0-76,0 мг/кг или на 4-30%.
При анализе содержания подвижных макроэлементов на 12 полях экспериментального полигона на 9 из них выявлено существенное увеличение фосфатов, связанное с переходом от традиционных технологий к ресурсосберегающим. Изменение содержания обменного калия вследствие большей подвижности элемента зависело от биологических особенностей растений и изменения систем обработки почвы. Однако в среднем по 12 полям наблюдали аналогичную с фосфатами тенденцию улучшения калийного режима почвы.
На основании данных почвенного обследования в 2019 году специалистами ФГБУ САС «Самарская», в сравнение с предыдущими обследованиями, были составлены обновленные электронные картограммы содержания гумуса и подвижных питательных веществ на полях экспериментального полигона.
Согласно картограммам в 2019 году по содержанию гумуса площадь пашни с низкой степенью обеспеченности (II класс) составила 198,4 га или 60%, со средней степенью обеспеченности
(III класс) – 132,4 га или 40% (рис. 1).
По содержанию подвижных фосфатов площадь пашни с повышенной степенью обеспеченности (IV класс) составила 76,0 га или 23%, с высокой (V класс) – 161,0 га или 49%, с очень высокой степенью обеспеченности (VI класс) составила 93,5 га, или 28% (рис. 2).
2015 г. 2019 г.
Рис. 1. Электронные картограммы содержания гумуса на полях экспериментального полигона
2015 г. 2019 г.
Рис. 2. Электронные картограммы содержания подвижного фосфора
на полях экспериментального полигона
По содержанию обменного калия площадь пашни с высокой степенью обеспеченности
(IV класс) составила – 107,5 га или 32,5%, с очень высокой (V класс) – 223,0 га или 67,5% (рис. 3).
2015 год 2019 год
Рис. 3. Электронные картограммы содержания обменного калия
на полях экспериментального полигона
В сравнении с предыдущими обследованиями площадь пашни с низкой степенью обеспеченности гумусом (от 2,1 до 4,0%) уменьшилась на 13,8%, площадь пашни со средним содержанием гумуса (от 4,1 до 6,0%) увеличилась на ту же величину (табл. 1). Однако средневзвешенное содержание гумуса в почве уменьшилось с 4,07% в 2015 году до 3,95% в 2019 году. Темпы снижения
составили 0,12% или 3,6 т за ротацию севооборота. В среднем за 1 год потери гумуса составили 0,12% или 0,9 т.
По сравнению с предыдущими обследованиями обеспеченность почвы подвижными элементами питания улучшилась.
Так, если в 2015 году более 70% площади почв полигона характеризовались повышенным содержанием подвижного фосфора (101-150 мг/кг почвы – III класс), то к настоящему времени более 70% площади полигона относятся к высокой (151-200 мг/кг) и очень высокой степени обеспеченности (>200 мг/кг почвы – V класс).
Таблица 1
Динамика гумуса и подвижных элементов в почвах полигона
по данным полевых обследований (2015-2019 гг.)
|
Обеспеченность почв |
Содержание в почве |
Общая площадь, га |
2015 г. |
2019 г. |
||
|
га |
% |
га |
% |
|||
|
Гумус, % |
||||||
|
Низкая |
2,1-4,0 |
330,5 |
244,0 |
73,8 |
198,4 |
60,0 |
|
Средняя |
4,1-6,0 |
87,5 |
26,2 |
132,1 |
40,0 |
|
|
Повышенная |
6,1-8,0 |
- |
- |
- |
- |
|
|
Подвижный фосфор, мг/кг |
||||||
|
Повышенная |
101-150 |
330,5 |
241,0 |
73 |
76,0 |
23,0 |
|
Высокая |
151-200 |
89,5 |
27 |
161,0 |
49,0 |
|
|
Очень высокая |
>200 |
- |
- |
93,5 |
28,0 |
|
|
Обменный калий, мг/кг |
||||||
|
Повышенная |
81-120 |
330,5 |
68,5 |
20 |
- |
- |
|
Высокая |
121-180 |
95,0 |
29 |
107,5 |
32,5 |
|
|
Очень высокая |
>180 |
167,0 |
51 |
223,0 |
67,5 |
|
Такая же тенденция отмечена и по обменному калию. Площадь почв с IV классом (высокая обеспеченность обменным калием) увеличилась на 3,5%, с V классом (очень высокая обеспеченность) – на 16,5%.
Электронные картограммы содержания гумуса и подвижных питательных веществ, полученные в ходе обследований 2019 года, являются более информативными, чем картограммы 2015 года, которые были построены способом сплошного агрохимического обследования по более крупным парцеллам. Они более наглядно показывают пестроту почвенного плодородия.
Разбивка полей на парцеллы позволяет выделить проблемные участки с привязкой к местности по GPS-координатам, а также произвести расчет дифференцированного внесения удобрений методом «офлайн».
По результатам фитосанитарного обследования полей полигона химическая защита растений проводилась по разработанной технологии возделывания запланированными препаратами при средней степени засоренности.
Совместно с гербицидной обработкой зерновых, зернобобовых и технических культур была проведена обработка соответствующими биологическими препаратами и подкормка комплексным биоактивированным жидким удобрением.
Агроклиматические условия 2019 сельскохозяйственного года были неблагоприятными для зерновых культур. При температуре воздуха выше среднемноголетних значений на 5-7ºС и дефиците количества осадков в 50% в сентябре 2018 года создались неблагоприятные условия для получения хороших всходов озимых культур, которые были посеяны по занятому пару. ГТК за период всходы – колошение яровых культур составил 0,17, что свидетельствует об очень сильной засухе. По данным Безенчукской АМС в первой декаде июня 2019 года было отмечено опасное метеорологическое явление – почвенная засуха. Обильные осадки во второй декаде июля (260% от декадной нормы) оказали положительное влияние только на урожайность поздних культур: подсолнечника и сои. Так же поздние осадки спровоцировали рост новых сорняков, которые сильно усложнили уборку зерновых культур.
Основным фактором, лимитирующим урожайность, стало недостаточное количество осадков в начальный период вегетации яровых культур, что даже на фоне среднемноголетних влагозапасов в почве обусловило получение низкой урожайности изучаемых сельскохозяйственных культур.
В среднем по полям тестового полигона урожайность ячменя составила 1,31 т/га, яровой твердой пшеницы – 0,72 т/га, яровой мягкой пшеницы – 0,72 т/га, гороха – 1,12 т/га, сои – 0,91 т/га, подсолнечника – 1,45 т/га.
Сравнение фактически полученной урожайности с максимальной расчетной по обеспеченности питательными веществами в почве свидетельствует о действии ограничивающего продуктивность фактора – сильная засуха в начале вегетационного периода яровых зерновых культур.
По яровым зерновым и зернобобовым культурам фактическая урожайность была на уровне расчетной по гумусу и составила лишь 25-50% от расчетной по фосфору и калию.
Урожайность подсолнечника превысила расчетную по подвижному фосфору и составила 60% от расчетной по обменному калию.
По результатам многолетних исследований наибольшая продуктивность изучаемых сельскохозяйственных культур в пересчете на зерновые единицы (з. е.) как суммарная, так и в расчете на 1 га севооборотной площади была отмечена на полях экспериментального полигона: на поле
№6 – 14 га, №10 – 26 га и №11 – 26 га. Данные поля по содержанию гумуса относятся к классу с низким его содержанием, однако по данным агрохимических паспортов черноземные почвы этих полей имеют мощный гумусовый горизонт с лучшей водоудерживающей способностью.
Заключение. Проведенные в Самарском НИИСХ – филиале СамНЦ РАН и ФГБУ САС «Самарская» исследования показали, что несмотря на возрастающие до 2015 года потери гумуса и питательных веществ ухудшение агро- и воднофизических свойств черноземные почвы тестового полигона имеют относительно высокий потенциал продуктивности. Более 50% площадей полигона имеют среднее количество гумуса в почве (от 4 до 6%), около 80% площадей – высокое содержание подвижных фосфатов (151-200 мг/кг), около 60% площадей пашни – очень высокое содержание обменного калия (от 180 до 260 мг/кг).
В результате исследований подготовлены обновленные электронные картограммы содержания питательных веществ в почвах экспериментального полигона и агрохимические паспорта полей, получены данные по темпам изменения почвенного плодородия во времени, степени использования питательных веществ почвы и удобрений и нормативы зависимости урожаев от агрохимических свойств почвы и удобрений для создания базы данных по регулированию плодородия почв и продуктивности пашни.
1. Горянин, О. И. Агротехнологические основы повышения эффективности возделывания полевых куль-тур на чернозёме обыкновенном Среднего Заволжья : дис. … д-ра с.-х. наук : 06.01.01 / Горянин Олег Ива-нович. - Саратов, 2016. - 477 с.
2. Корчагин, В. А. Инновационные технологии возделывания полевых культур в АПК Самарской области / В. А. Корчагин, С. Н. Шевченко, С. Н. Зудилин, О. И. Горянин. - Кинель : РИЦ СГСХА, 2014. - 192 с.
3. Сергеев, К. Региональный форум ФАО в России / К. Сергеев // Ресурсосберегающее земледелие. - 2018. - №38 (02). - С. 5-8.
4. Жученко, А. А. Проблемы ресурсосбережения в процессах интенсификации сельскохозяйственного производства / А. А. Жученко // Пробле¬мы адаптивной интенсификации земледелия в Среднем Поволжье : сб. науч. тр. - Самара : СамНЦ РАН, 2012. - С. 8-33.
5. Якушев, В. П. Геоинформационное обеспечение прецизионных экспериментов в земледелии / В. П. Якушев, А. В. Конев, В. В. Якушев // Информация и космос. - 2015. - №3. - С. 96-101.
6. Якушев, В. В. Точное земледелие: теория и практика : монография / В. В. Якушев. - СПб., 2016. - 364 с.
7. Горянин, О. И. Оптимизация минерального питания озимой пшеницы в технологиях точного земледе-лия / О. И. Горянин, А. П. Чичкин, Б. Ж. Джангабаев // Известия Самарской ГСХА. - 2014. - № 4. - С. 27-31.
8. Джангабаев, Б. Ж. Урожайность сельскохозяйственных культур тестового полигона на черноземах обыкновенных Самарского Заволжья / Б.Ж. Джангабаев // Экология, ресурсосбережение и адаптивная се-лекция : сборник докладов II Всероссийской научно-практической интернет-конференции молодых ученых и специалистов. - Саратов, 2018. - С. 218-222.
9. Корчагин, В. А. Концепция воспроизводства плодородия чернозёмных почв степных районов Средне-го Заволжья / В. А. Корчагин, О. И. Горянин, С. В. Обущенко, А. П. Чичкин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Т.16, № 5(3). - С. 1081-1085.
10. Губарев, Д. И. Использование результатов почвенно-агрохимического обследования и данных ДЗЗ при формировании рабочих участков на поле / Д. И. Губарев, И. Ф. Медведев, А. А. Вайгант, М. А. Ларькин // Агрохимическое обеспечение цифрового земледелия : материалы международной научной конференции. - 2019. - С.116-120.
