УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
Исследования проводили с целью изучения влияния минеральных удобрений и системы защиты растений на вегетационный индекс NDVI и его сезонную динамику в агроценозах ярового ячменя с подсевом многолетних трав в условиях Северо-Запада России. На фоне дефицита основных элементов минерального питания во второй половине вегетации ярового ячменя в посеве формируется значительная фитомасса многолетних трав, на долю которых приходится 36,7 %. Это приводит к меньшему снижению индекса NDVI (на 0,06), величина которого отражает не только состояние культурных растений и засоренность посева, но и уровень развития подпокровной культуры, чем в удобренных вариантах (0,20). Влияние условий минерального питания четко проявлялось в период максимальных величин индекса, регистрируемых на 6…8 неделю после посева и 26…30 неделю с начала года. Средние дозы удобрений повышали индекс NDVI на 0,09…0,20 (в среднем на 0,13), высокие – на 0,13…0,26 (в среднем на 0,18). Влияние системы защиты выражалось в снижении фитомассы сорных растений (на 49,4…68,9 %), при этом масса ярового ячменя возрастала на 1,7…18,5 %, многолетних трав – на 11,7…43,5 %. Реализация всего комплекса защитных мероприятий приводило к уменьшению индекса NDVI в зависимости от складывающейся в агроценозе фитосанитарной обстановки на 0,01…0,06. Наиболее точный прогноз урожайности ярового ячменя осуществим в период с 5 по 7 неделю после появления всходов, особенно на фоне применения средств защиты растений, которые элиминируют влияние вредных организмов на формирование урожая и оптические свойства посевов
яровой ячмень (Hordeum vulgare L.), многолетние травы, сорные растения, вегетационный индекс NDVI, применение минеральных удобрений, система защиты растений
Яровой ячмень – основная зернофуражная культура, возделываемая на Северо-Западе РФ. Вклад отдельных областей региона в производство зерна, в первую очередь фуражного, в России в последние годы существенно возрос, как вследствие увеличения посевных площадей, так и благодаря повышению урожайности. Например, площади посевов ярового ячменя в Ленинградской области выросли, в сравнении с 2000 г., в 3 раза, а урожайность культуры превысила среднероссийскую на 0,8…1,2 т/га [1].
Многолетние травы служат основным источником сочных и грубых кормов для одной из ведущих и успешно развивающихся отраслей сельского хозяйства Северо-Западного региона – молочного животноводства. Звено севооборота ячмень – многолетние травы, с посевом последних под покров зерновой культуры, экономически обосновано и широко используется в регионе. При этом подсев многолетних трав модифицирует и усложняет взаимоотношения ячменя и сорных растений, накладывает значительные ограничения на использование гербицидов [2].
Из литературы известно, что максимальную реализацию потенциала продуктивности возделываемых культур и сортов обеспечивает только совместное применение минеральных удобрений и средств защиты растений [3, 4, 5]. Однако данные о воздействии средств химизации на развитие ярового ячменя в качестве покровной культуры для смеси многолетних трав из клевера красного (Trifolium pratense L.) и тимофеевки луговой (Phleum pratense L.) практически отсутствуют.
Вегетационный индекс NDVI принято считать одним из количественных характеристик активной биомассы растительного покрова. Как в нашей стране, так и за рубежом его широко используют при определении оптических свойств посевов и в качестве основного предиктора урожайности сельскохозяйственных культур [6, 7, 8] Возрастающая доступность аэрокосмических данных и обширность территории нашей страны не оставляют другой альтернативы для мониторинга состояния и прогноза продуктивности посевов. Однако в условиях Северо-Западного региона России спутниковые снимки зачастую неинформативны из-за помех от облачности, что переводит их в разряд нерегулярных, неудовлетворяющих по критериям оперативности съёмок. Как следствие, большинство современных исследований с использованием спутникового мониторинга сельскохозяйственных угодий регион не затрагивает. В этом случае их могут заменить съемки с БПЛА и наземные бесконтактные измерения спектральных характеристик посевов.
Полевые оптические датчики имеют собственный активный источник излучения и позволяют проводить оценку независимо от условий освещенности и атмосферных помех. Неоспоримым преимуществом таких датчиков в научных исследованиях выступает возможность работы на небольших площадях с учетом пространственно-временной изменчивости тех или иных факторов продуктивности.
Цель исследования – изучение влияния минеральных удобрений и системы защиты растений на вегетационный индекс NDVI и его сезонную динамику в агроценозах ярового ячменя с подсевом многолетних трав в условиях
Северо-Запада России.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в 2015–2017 гг. в агроэкологическом стационаре Меньковского филиала Агрофизического НИИ (Ленинградская область, Гатчинский район) на легкосуглинистой дерново-слабоподзолистой почве, развитой на легком моренном суглинке. Мощность пахотного слоя 23 см, рНKCl – 4,6 ед., содержание гумуса (по Тюрину) – 1,9 %, подвижных соединений фосфора и калия (по Кирсанову) – 257 и 92 мг/кг соответственно.
Опыт проводили по двухфакторной схеме, которая включала варианты с разным уровнем минерального питания (УМП) и применением системы защиты растений (СЗР). Уровни минерального питания поддерживали длительным ежегодным предпосевным внесением азофоски и аммиачной селитры из расчета на планируемую урожайность возделываемых культур: низкий – без удобрений, средний – N65Р50К50, высокий – N100Р75К75. В варианте с системой защиты растений меры против вредных организмов принимали при условии превышения экономического порога вредоносности.
В опыте высевали сорт ярового ячменя Ленинградский, клевер луговой Орфей и тимофеевку луговую Ленинградская 204 в соотношении по массе (ячмень : многолетние травы) 1:1.
Для Северо-Западного региона характерно непостоянство метеоусловий, как по годам, так и в течение вегетационного периода. Это оказывает значительное влияние на продуктивность культур севооборота и развитие вредных организмов. Погодные условия в период вегетации были близкими к среднемноголетней норме по среднесуточным температурам (14,8 °С), но различались по количеству осадков (238,8 мм). Меньше нормы осадков выпало в 2015 г. (74 %) и 2017 г. (77 %), близкое к среднемноголетнему уровню – в 2016 г. (108 %). В критический для роста и развития ярового ячменя период, приходящийся на фазы появление всходов–кущение, сумма осадков в 2015, 2016 и 2017 гг. составляла соответственно 28, 16 и 26,8 мм, среднесуточная температура воздуха – 10,9, 13,4 и 10,6 °С при среднемноголетних показателях равных 35,9 мм и 11,1 °С.
С учетом особенностей фитосанитарного состояния агроценоза ярового ячменя с подсевом многолетних трав система защиты этой культуры включала предпосевное протравливание семян (Ламадор, КС; Систива, КС), обработку посевов гербицидами (Агритокс, ВК; Базагран, ВР) и фунгицидами (Прозаро, КЭ; Солигор, КЭ), в 2016 г. – баковой смесью из гербицида и инсектицида (Базагран, ВР + Каратэ Зеон, МКС).
Визуальные учеты численности и проективного покрытия сорных растений, а также состояния культурных растений проводили на постоянных учетных площадках размером 0,1 м2 в течение всего периода вегетации ярового ячменя. На этих же площадках портативным прибором GreenSeeker проводили еженедельные измерения вегетационного индекса NDVI [9] с фазы кущения до молочной спелости ярового ячменя. Урожайность и надземную сырую фитомассу ярового ячменя, сорных растений и многолетних трав определяли на 72 постоянных площадках в отдельности на протяжении всех лет изучения.
Результаты и обсуждение. Основной вклад в фитомассу изучаемого агрофитоценоза вносят растения ярового ячменя (52,2…84,9 %), а долевое участие многолетних трав (8,5…45,2 %) выше, чем сорных растений (2,6…8,2 %).
Под действием минеральных удобрений фитомасса ярового ячменя возрастала в 1,8…2,3 раза, сорных растений – в 1,1…1,3 раза, а надземная масса многолетних трав снижалась в 1,9…2,9 раза. Доля покровной культуры в общей массе агрофитоценоза увеличивалась с 54,3 до 76,7…83,3 %, а сорных растений и многолетних трав уменьшалась с 9,0 до 8,1…8,2 % и с 36,7 до 15,2…8,5 % соответственно. Под влиянием системы защиты вегетативная масса растений ячменя повышалась, по отношению к варианту, где она отсутствовала, на 1,7…18,5 %. При этом наибольший в опыте эффект от проведенных защитных мероприятий, равный 18,5 %, отмечали при внесении средней дозы удобрений, тогда как в варианте с высокой дозой он составил 3,5 %. Действие гербицидов
выражалось в снижении фитомассы сорных растений на 49,4…68,9 %, одновременно масса многолетних трав возрастала на 11,7…43,5 % (табл. 1).
Влияние фитомассы растительности в агроценозе ярового ячменя с подсевом многолетних трав на отражательные свойства посевов, измеряемые вегетационным индексом NDVI, характеризуется высокими коэффициентами корреляции (0,79…0,88, р≤0,05). Наиболее тесная и устойчивая связь просматривается между максимальной в опыте величиной этого индекса и надземной массой культуры (0,76…0,88, р≤0,05). Слабее выражена линейная связь индекса с фитомассой сорных растений (0,36…0,39, р≤0,05), а с массой многолетних трав она имеет прямую направленность на низком фоне минерального питания (0,16…0,30) и обратную – на высоком фоне (-0,19…-0,39).
По результатам стартовых замеров вегетационного индекса NDVI, которые проводили в фазе кущения ярового ячменя, достоверные различия между неудобренным и удобренными вариантами отмечены только в 2017 г. В этот период действие удобрений только начинает сказываться на развитии культурных и сорных растений, что не всегда находит отражение в изменении спектральных свойств посевов. В то же время различия четко проявлялись в период максимальных в опыте значений индекса, регистрируемых на 6…8 неделю после посева и 26…30 неделю с начала года (табл. 2). Максимальные величины NDVI сильно варьировали по годам, зависели от уровня минерального питания и степени засоренности посевов, и не зависели от сроков посева и появления всходов, определявшихся метеорологическими условиями. Под влиянием средних доз удобрений происходило увеличение индекса NDVI на 0,09…0,20 (в среднем 0,13), высоких доз – на 0,13…0,26 (в среднем 0,18). Проведение комплекса защитных мероприятий приводило к снижению индекса в зависимости от складывающей в агроценозе фитосанитарной обстановки на 0,01…0,06. Наименьшее в опыте его изменение отмечали в 2017 г. в условиях слабой засоренности агроценоза, когда численность сорняков составляла 255 экз./м2, а их проективное покрытие – 7,3 %. Более заметные изменения индекса под действием СЗР отмечали в неудобренном варианте.
По результатам последних замеров индекса, проводившихся в фазе молочной спелости ярового ячменя, различия в оптических свойствах посева между неудобренным и удобренными вариантами сохранялись на фоне применения
средств защиты растений. В 2015 г. различия NDVI между крайними по удобренности вариантами составляли 0,14, в 2016 г. – 0,12, в 2017 г. – 0,15.
Определяющее влияние минерального питания на индекс NDVI и его динамику нашло подтверждение при статистической обработке данных. По результатам дисперсионного анализа на долю этого фактора в разные даты замеров в 2015 г. приходилось 39,7…70,6 %, в 2016 г. – 37,0…91,3 %, в 2017 г. – 64,5…94,1 %. Самое сильное в опыте влияние минерального питания отмечали в период с 5 по 7 неделю после появления всходов ячменя. Доля влияния системы защиты растений на величину индекса NDVI варьировала от 3,1 до 11,5 % в 2015 г., от 0,01 до 12,6 % – в 2016 г., от 0,01 до 2,4 % – в 2017 г.
Сезонная динамика индекса NDVI в неудобренном и высокоудобренном вариантах опыта различалась (см. рисунок). Для варианта со средней дозой удобрений (N65Р50К50) она была аналогичной и частично накладывалась на линии варианта с высокой дозой, поэтому на графиках не представлена. Без удобрений сезонный ход NDVI имел две вершины разной степени выраженности. Наибольшие в опыте величины вегетационного индекса приходились на вторую вершину и смещались к концу вегетации. Пик максимума NDVI в этом варианте наступал на две недели позже как календарно, так и относительно сроков появления всходов. Это обусловлено тем, что в неудобренном варианте значительный вклад в общую фитомассу агрофитоценоза, а значит, в величину индекса, вносят многолетние травы, особенно клевер красный, основной рост и развитие которых приходится на вторую половину вегетации ярового ячменя. При внесении удобрений сезонный ход кривых NDVI имеет более сглаженную форму с плато в районе максимальных значений. Здесь динамику индекса определяет накопление фитомассы растениями ярового ячменя, которые в условиях густого стеблестоя подавляют рост и развитие многолетних трав и сорняков. На это указывают слабые отрицательные коэффициенты корреляции между величинами показателей вегетативной массы ярового ячменя и многолетних трав (r= -0,14…-0,30), культурных и сорных растений (r= -0,01…-0,09).
Гербицидная обработка в варианте с системой защиты растений приводила к расхождению кривых индекса независимо от фона минерального питания. Особенно заметным оно было в 2015 г. при более высокой начальной засоренности посева. Такое расхождение могло сохраняться на протяжении всего дальнейшего периода вегетации компонентов агроценоза, как в 2015 и 2016 гг., или нивелироваться через две недели, как в 2017 г.
Корреляционный анализ показал наличие тесных и статистически значимых прямых зависимостей урожайности зерна с величиной индекса NDVI в период замеров, проведенных с 5 по 7 неделю считая от появления всходов ярового ячменя. Согласно установленным в годы исследований коэффициентам корреляции (0,86, 0,86 и 0,93, при р≤0,95) достоверный прогноз урожайности возможен в фазы колошение и цветение ярового ячменя, особенно на фоне применения системы защиты растений. В этом варианте на протяжении всех лет исследований фиксировали более высокие коэффициенты корреляции индекса NDVI с урожайностью ярового ячменя. Наибольшие в опыте различия отмечены в условиях 2015 г. (r=0,75 и 0,63) с неблагоприятной фитосанитарной обстановкой, наименьшие в 2017 г. (r=0,87 и 0,83) при относительно благополучном фитосанитарном состоянии посевов.
Выводы. Величины индекса NDVI, полученные с использованием наземных бесконтактных измерений во вторую половину вегетации ярового ячменя с подсевом многолетних трав могут отражать не только состояние культурных растений, засоренность посева, но и уровень развития подпокровной культуры. В первую очередь это касается экстенсивных (без применения удобрений и средств защиты растений) способов ведения земледелия, при которых воздействие на величину вегетационного индекса подпокровной культуры становится более значимым, чем влияние сорных растений. Это следует учитывать при использовании в качестве основного метода определения засоренности полей в послеуборочный период спутникового мониторинга.
Влияние минерального питания на индекс NDVI и его динамику оказалось значительно сильнее, чем системы защиты растений. Наибольшее в опыте влияние минеральных удобрений отмечали с 5 по 7 неделю с начала появления всходов ячменя. В этот же период осуществим самый достоверный прогноз урожайности ярового ячменя, особенно на фоне применения средств защиты растений, которые элиминируют влияние вредных организмов на формирование урожая и оптические свойства посевов.
1. Динамика посевных площадей и урожайности ярового ячменя в РФ / Г. А. Филенко, Т. И. Фирсова, Ю. Г. Скворцова и др. // Зерновое хозяйство России. 2017. № 5 (53). С. 20-25.
2. Фесенко М. А., Шпанев А. М. О факторах управления состоянием сеяного травостоя и качеством объемистых кормов в системе полевого севооборота // Адаптивное кормопроизводство. 2018. № 3. С. 26-33.
3. Малявко Г. П. Влияние систем удобрений и средств защиты растений на засоренность посевов и урожайность озимой ржи // Агро 21. 2009. № 7-9. С. 32-34.
4. Личко А. К., Ваулина Г. И., Личко Н. М. Фитосанитарное состояние посевов и урожайность зерна озимой пшеницы при комплексном применении удобрений и химических средств защиты растений в условиях центрального района Нечерноземной зоны // Известия ТСХА. 2011. Вып. 3. С. 66-77.
5. Конова А. М., Самойлов Л. Н., Державин Л. М. Эффективность комплексного применения удобрений и пестицидов на озимой ржи в полевом севообороте // Агрохимия. 2012. № 3. С. 13-24.
6. Сторчак И. Г., Шестакова Е. О., Ерошенко Ф. В. Связь урожайности посевов озимой пшеницы с NDVI для отдельных полей // Аграрный вестник Урала. 2018. № 6. С. 64-68.
7. Терехин Э. А. Сезонная динамика проективного покрытия растительности агроэкосистем на основе спектральной спутниковой информации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 4. С. 111-123.
8. Reflectance indices as a diagnostic tool for weed control performed by multipurpose equipment in precision agriculture / JR. A. Merotto, C. Bredemeier, R. A. Vidal, et al. // Planta daninha. 2012. Vol. 30, № 2. P. 437-447. doi:https://doi.org/10.1590/S0100-83582012000200024
9. Методика фитосанитарного мониторинга агроландшафтов с использованием физико-технической базы точного земледелия / А. М. Шпанев, П. В. Лекомцев, А Ф. Петрушин и др. СПб.: АФИ, 2017. 32 с.
