Регулирование азотного питания посевов

О диагностике минерального питания растений, как о приоритетном направлении агрохимических исследований, известно еще со времен Ю. Либиха и Ж.Б. Буссенго [1]. Для определения потребности сельскохозяйственных культур в таких основных элементах питания, как фосфор и калий, широко применялась и применяется почвенная диагностика, т.е. определение в почвах подвижных форм этих элементов, на основании которой определяются дозы соответствующих видов и форм удобрений. Почвенная диагностика используется и для выявления нуждаемости растений в азотных удобрениях, главным образом в допосевной период или в начале активной вегетации культур.

Но в отличие от содержания подвижных форм фосфора и калия, характеризующегося относительной стабильностью даже в течение нескольких лет, содержание доступных для питания растений соединения азота в почвах требует постоянного контроля в течение каждого вегетационного периода из-за неустойчивости во времени, динамичности данного показателя, с одной стороны, и особой требовательности растений к азоту почти в течение всей их вегетации, с другой. И если достаточной обеспеченности растений фосфором и калием можно достичь заблаговременным применением удобрений, то с азотом дело обстоит значительно сложнее. Как правило, азотные удобрения вносят в почву ранней весной непосредственно перед посевом яровых культур или поверхностно в начале вегетации озимых зерновых, ориентируясь на данные агрохимического обследования почв, включая оперативную диагностику. В критические периоды вегетации (кущение-ветвление, трубкование – стеблевание, колошение-цветение, формирование семян, других репродуктивных органов) для оптимизации азотного питания зерновых и других сельскохозяйственных культур проводятся вегетационные подкормки азотными удобрениями по данным химических методов растительной диагностики – стеблевой и листовой [2, 3].

В последние десятилетия все большее значение, особенно за рубежом, наряду с химическими, приобретают физические, а именно фотометрические, методы диагностики азотного питания посевов, основанные на связи интенсивности зеленой окраски растений с обеспеченностью их азотом. Фотоприемниками диагностических приборов фиксируется или концентрация хлорофилла в индикаторных органах растений, или интенсивность его флуоресценции.

Спектральный анализ сложных природных органических и минеральных соединений широко используется в агрохимической аналитике. Установлено, что при естественном или искусственном освещении квант света, поглощаясь молекулой хлорофилла, сообщает свою энергию электрону, который переходит в возбужденное состояние. Из возбужденного состояния электрон возвращается к основному, что сопровождается излучением кванта света, если энергия не полностью используется на биохимические процессы. При этом наблюдается увеличение длины излучаемых электромагнитных волн и соответственно уменьшение энергии излучения. В зависимости от длительности возбужденного состояния электрона излучение квантов света относят или к флуоресценции, или фосфоресценции, а оба типа излучения – к люминесценции [4, 5].

Считается, что все процессы превращения приходящей лучистой энергии происходят не на поверхности облучаемого объекта, например, зеленого листа, а в некотором слое, который агрофизики называют деятельным. При этом лучеиспускательная способность тела рассматривается как энергия, излучаемая 1 см2 его поверхности за 1 сек. По результатам исследований были разработаны константы лучеиспускания различных почв и растительных покровов, связанные с интенсивностью излучения [6]. Показано, что содержание хлорофилла в растениях, его физиологическая активность тесно связаны с уровнем обеспеченности растений азотным питанием, так как азот непосредственно входит в состав хлорофилла [5].

В результате тематической обработки данных фотометрии в полевых опытах при контактном или дистанционном определении фотометрических показателей учитывается их связь с обеспеченностью растений в азотном питании и на основании этого рассчитывается потребность в азотных удобрениях в тот или иной период их вегетации. При этом наибольшее распространение получил расчет так называемого вегетационного индекса (NDVI), представляющего собой отношение разности между величиной отраженного от листьев или посева сельскохозяйственных культур показателя в ближнем инфракрасном красном диапазоне электромагнитных волн (NIR) и величиной, измеренной в красном диапазоне (RED) к сумме этих показателей: NDVI = NIR+ RED / NIR- RED. Длины волн электромагнитного излучения, используемые для автоматизированного расчета NDVI, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Характер отражения растениями солнечного света

Варьирование индекса от -1 до +1:

Растительный NDVI = от +0.4 до +0.9

Почвенный NDVI = от -0.05 до + 0.05

Типичный NDVI посева с учетом проективного покрытия почвы = от +0.3 до +0.8

Детекторами электромагнитного излучения биомассой растений служат фотометрические устройства различной конструкции, используемые в качестве портативных (ручных) приборов (европейские «Yara» «Crop Circle», американские ССМ-200, ССМ-1000, «Green Seecer», отечественные модели – однолучевой и двулучевой «Спектролюкс»), а также в виде мобильных N-сенсоров, устанавливаемых на агрегатах по внесению удобрений («YARA», «ALS»), и многозональные фотометры, устанавливаемые на авиационных или космических платформах. Однако, несмотря на значительные преимущества по сравнению с традиционной химической диагностикой, и наземная, и космическая индикация обеспеченности сельскохозяйственных культур азотом имеют определенные ограничения: наземная – по масштабности охвата, авиакосмическая – по временным параметрам. В то же время было показано, что для фотометрического обследования посевов более всего подходит использование низколетящей авиации, в частности вертолетов, хотя и ее применение имеет существенное ограничение – по стоимости диагностических работ. В данном отношении наиболее перспективным представляется использование для оперативной диагностики азотного питания растений беспилотных летательных аппаратов - БПЛА, снабженных соответствующей фотометрической аппаратурой (рис. 2, 3).

Рис. 2. Съемка полевого опыта БПЛА производства ООО «АгоДронГрупп» (2017 г.)

Рис. 3. Ортофотоплан полевого опыта на ЦОС ВНИИА ( 2017 г.)

Разработка методов фотометрической диагностики азотного питания растений в условиях центральных районов Нечерноземной зоны проводилась на базе Полевой опытной станции РГАУ-МСХА и Центральной опытной станции ВНИИА (Московская обл.) на дерново-подзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах, среднекислых, хорошо обеспеченных подвижным фосфором и средне - обменным калием. Схемы полевых опытов включали варианты с возрастающими дозами азота от 0 до 150-180 кг/га. В качестве объектов исследований служили районированные сорта или селекционные линии озимой пшеницы, озимого тритикале, ярового ячменя, белой горчицы, ярового рапса. В качестве фотометрических приборов применялись портативный модельный N-тестер «Спектролюкс», европейский портативный N-тестер «Yara», американские - ССМ-200 и «Gen Seeker».

В специальных полевых опытах выявлялся характер зависимости культур от возрастающих доз азотных удобрений, так как именно данный показатель должен быть положен в основу логических и статистических оценок фотометрической диагностики азотного питания растений. В результате исследований устанавливалась зависимость фотометрических показателей от возрастающих доз азотных удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры, соотношение с другими диагностическими показателями, изучаемыми в этих полевых опытах, связь с урожайностью и качеством культур. Так, в условиях центра Нечерноземной зоны было установлено, что биологическая реакция растений на возрастающие дозы азотных удобрений носит в основном параболический характер, что позволяет соответствующим образом интерпретировать результаты сопутствующих исследований, включая фотометрические показатели (табл. , рис. 4).

Рис. 4. Зависимость показателей фотометра «Yara» от доз азотных удобрений под озимую пшеницу

Характерно, что показания N-тестеров в течение вегетации сельскохозяйственных культур несколько снижаются, что связано с постепенным затуханием активности хлорофилла, т.е. переходом растений от новообразования органических веществ к их транспортировке из вегетативных органов в генеративные с соответствующей биохимической трансформацией. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты фотометрии горчицы белой (рис. 5). При переходе от фазы начало цветения к фазе формирование семян показания N-тестера «Yara» заметно снизились, причем связь показателей фотометра с дозами азотных удобрений, внесенных под культуру, даже возросла, что обусловлено высокой зависимостью формирования биомассы горчицы от обеспеченности растений азотом. В фазу начало цветения коэффициент корреляции показаний фотометра при диагностике листьев горчицы с дозами азота равнялся 0,78, в фазу конец цветения – 0,91, а в фазу формирование семян достиг 0,94.

Рис. 5. Зависимость показаний N-тестера «Yara» от доз азотных удобрений, внесенных под горчицу белую, в разные фазы вегетации.

Условные обозначения: ряд 1 – диагностика в фазу начало цветения, ряд 2 – в фазу конец цветения, ряд 3 – в фазу формирования семян.

Из этого следует, что показания фотометров отражают реальную обеспеченность растений азотным питанием, в свою очередь влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур. Иначе говоря, высокая статистическая и биологически апробированная достоверность показаний N-тестеров от доз азотных удобрений служит научной основой диагностики азотного питания растений, что позволяет отказаться от сложных и трудоемких, к тому же небезопасных для здоровья ручных операций растительной диагностики, и в известной степени роботизировать диагностические процессы.

Исследования с использованием отечественной модели N-тестера «Спектролюкс» при диагностике ярового рапса выявили положительную зависимость показаний прибора с дозами азотных удобрений, внесенных под эту культуру (рис. 6). Сопряженность расположения точек кривой теоретического распределения и фактического отсчета прибора характеризуется коэффициентом корреляции r = 0,99, т.е. практически совпадают между собой.

Рис. 6. Зависимость показаний N-тестера «Спектролюкс» от доз азотных удобрений, внесенных под яровой рапс.

В целом, результаты исследований по диагностике азотного питания различных сельскохозяйственных культур показали, что фотометрические методы диагностики позволяют с достаточно высокой степенью вероятности оценивать обеспеченность растений азотным питанием. Эти методы на практике могут заменить более сложные, трудные в исполнении и небезопасные для исполнителей методы химической диагностики, применяемые ранее.

Крупномасштабная съемка посева озимой пшеницы в полевом опыте, проведенном на ЦОС ВНИИА в 2017 г., беспилотным летательным аппаратом ООО «АгроДронГрупп» также выявила довольно тесную связь величины вегетационного индекса (NDVI), рассчитанного по результатам дистанционной съемки с баллами наземной фотометрии (рис. 7).

Рис. 7. Взаимосвязь показателей вегетационного индекса (NDVI), полученного с помощью БПЛА, и баллов фотометрии N-тестера «Яра».

Условные обозначения: ряд 1 – баллы фотометрии, ряд 2 – единицы NDVI

Коэффициенты парной линейной корреляции между величинами вегетационного и нитратного индексов составляли r = 0,86, между вегетационным индексом и баллами фотометрии – r = 0,98, между вегетационным индексом и дозами азота – r = 0,78. Все эти показатели однозначно указывают на эффективность дистанционной диагностики азотного состояния посевов зерновых культур с использованием БПЛА, оснащенных соответствующей фотометрической аппаратурой. Оперативность и технологическая простота, а также экономическая составляющая использования беспилотных летательных аппаратов для мониторинга посевов сельскохозяйственных культур по существу открывают новую страницу в решении проблемы диагностики азотного питания растений. Не секрет, что прежние методы наземного, да и космического мониторинга посевов не вполне удовлетворяли потребность земледелия в оперативной диагностике состояния посевов, что сдерживало принятие адекватных технологических решений, в частности о проведении азотных подкормок в период вегетации растений. По некоторым оценкам, в обозримом будущем до 75% выпускаемых в мире беспилотных летательных аппаратов будет использоваться в интересах сельского хозяйства. Наши исследования показали, что этот прогноз имеет под собой вполне реальную научную основу.

Р.А. Афанасьев, ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова

А.И. Беленков, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева