Russian Federation
633.2
The application of mineral fertilizers did not significantly affect the yield of Miscanthus. There is a trend towards its increase. The absence of significant differences in the nitrogen content in biomass between the options (NSR05 = 0.09) - 0.2-0.4 % at the end of the growing season was noted. The K content varied from 3.1 -3.7 % at the beginning of the growing season to 0.3% by the end of the growing season for all experimental variants. The variation in P during the growing season of the crop was weak - from 0.3-0.4 % in June to 0.1% in September. The optimal option with good productivity (11.2-14.0 t/ha) and minimum costs for feeding the grass stand is option N30.
Miscanthus, grass productivity, nitrogen, phosphorus, potassium, nitrogen fertilizer
Актуальность. Многолетние травы, такие как Miscanthus, могут использоваться для производства биоэнергии в больших масштабах не только в Европе, но и на территории Западной Сибири. Продуктивность биомассы этой культуры может быть значительной даже при выращивании с ограниченными затратами. Во многих зарубежных исследованиях описано, что для достижения высоких урожаев биомассы Miscanthus, на зрелых посадках не требуются азотные удобрения [1;2], для их внесения необходимо учитывать ремобилизацию питательных веществ внутри растения и низкое плодородие почвы. Так, Dohleman с соавторами в США (шт. Illinois 40°03′21.3″N, 88°12′3.4″W) показали, что за 7 лет вегетации урожайность M. giganteus (около 40 т/га) не снижалась даже без внесения удобрений [3]. Это связано с динамичным высвобождением элементов, в частности, азота из корневищ и в целом из подземной биомассы. Ряд авторов, напротив, утверждают, что для получения высокой урожайности Miscanthus, возникает потребность культуры в азоте, фосфоре и калии [4, 5]. Так, при отсутствии азотных удобрений урожай биомассы Miscanthus, будет снижаться с течением времени, поскольку при ежегодном удалении биомассы с поля, происходит удаление азота из почвы, которое должно быть компенсировано внешним источником азота.
В литературе мнения расходятся в отношении требований Miscanthus к элементам питания. Кроме того, отсутствует информация, которая идентифицирует компонент(ы) урожая и их вклад в выход биомассы Miscanthus. Таким образом, цель этого исследования состояла в том, чтобы изучить влияние азотных удобрений на продуктивность культуры.
Условия, объекты и методы исследования. Экспериментальная часть исследований выполнялась на Научно-экспериментальной базе СибНИИРС – филиал ИЦиГ СО РАН (Новосибирская область, п. Мичуринский, 54°53′16,6″N, 82°59′37,3E″). Гидротермические условия лет исследования контрастные: 2015, 2017, 2018 и 2020 гг. были умеренно переувлажненными (ГТК05-09 -1,3); 2016 г. (ГТК05-09 - 0,9) и 2019 г. (ГТК05-09 - 1,1) были увлажненными.
Почва серая лесная глубокооглеенная среднесуглинистая. Мощность гумусового горизонта – 30-35 см, содержание гумуса 3,14 %. Гидролитическая кислотность – 0,5-1,5 мг-экв. на 100 г почвы; содержание обменных кальция и магния – 70% от емкости катионного обмена.
Объект исследования: Miscanthus sacchariflorus сорт Сорановский.
Расположение делянок последовательное, площадь одной делянки 21 м2, повторность 4-кратная. Внесение удобрений (аммиачная селитра (NH4NO3) с содержанием 34,4% азота) осуществлялось в весенний период. Варианты опыта: 1 – без удобрений N0 (контроль), 2 – N30, 3 – N60, 4 – N90, 5 – N120.
Посадка осуществлялась корневищами. Технология подготовки почвы перед посадкой – зональная для пропашных культур. Учеты и наблюдения проводили по общепринятым методикам проведения опытов [6, 7, 8].
Обсуждение результатов. Проведенные зарубежные исследования выявили, что большая часть азота в растения Miscanthus поступает в результате почвенной минерализации и запасов азота в корневищах [9]. Там, где минерализация органического вещества достаточна, внесение азотных удобрений не влияет на урожайность в первые годы роста, но может значительно повысить урожайность в более поздние годы при уменьшении запасов азота в корневищах [9, 10]. На малоплодородных землях при выращивании Miscanthus предлагается весеннее внесение азотных удобрений 50–70 кг/га [11, 12].
В наших исследованиях, внесение азотных удобрений в период формирования плантации не оказало значительного влияния на развитие и формирование продуктивности культуры. Ко второму году вегетации культуры подкормка в больших дозах азота не увеличила густоту травостоя, но при этом привела к снижению длины генеративного побега. Следовательно, для формирования плантации Miscanthus отсутствует необходимость внесения азотных удобрений на хороших гумусированных почвах (при содержании гумуса 3 % и более).
На сформированных плантациях Miscanthus (на третий и последующие годы вегетации) наблюдается тенденция к увеличению продуктивности надземной биомассы на 1-2 т/га при внесении азотных удобрений в дозе N30 (табл. 1); при высоких дозах (N90, N120) наблюдается повышение полегания полога, снижение количества генеративных стеблей, повышение облиственности.
Таблица 1 – Продуктивность надземной биомассы Miscanthus, т/га
|
Год |
Вариант удобренности |
||||
|
N0 |
N30 |
N60 |
N90 |
N120 |
|
|
2017 |
15,9±1,2 |
14,0±2,3 |
12,1±0,5 |
15,4±4,1 |
16,1±2,9 |
|
2018 |
12,1±2,2 |
13,8±3,7 |
16,5±2,2 |
16,9±3,8 |
15,8±2,5 |
|
2019 |
9,7±3,0 |
11,2±2,2 |
12,8±3,1 |
12,2±4,4 |
13,0±1,0 |
|
2020 |
10,2±2,8 |
12,4±3,5 |
11,4±4,0 |
11,5±2,0 |
12,1±1,9 |
В результате четырехлетних исследований с азотными удобрениями на сформированной плантации Miscanthus на агросерых почвах, при различных погодных условиях мы попытались выявить основные закономерности варьирования прироста надземной биомассы при воздействии различных доз минеральных удобрений. Для этого оценивали накопление сухого вещества и измеряли концентрации NPK.
Первым этапом решили проследить концентрацию макроэлементов в надземной биомассе мискантуса. Исследования показали, что содержание N в надземной биомассе, как правило, самое высокое в июне (3,1 -3,6 %) –причем, концентрация азота в листьях превышала концентрацию азота в стеблях в 4-5 раз по всем вариантам; в июле значения содержания N уже составляли 1,7-1,9 %. К фазе отмирания растений, концентрация N в биомассе существенно снижается, достигая значений 0,2-0,4 %. Такие же результаты наблюдения получил Jоrgensen U. при изучении M. Giganteus [13].
Снижение содержания азота в период с июня по август коррелировало с интенсивным периодом накопления сухого вещества (рис. 1). Отмечено отсутствие существенных различий по содержанию азота в биомассе между вариантами (НСР 05 = 0,09). Такая же тенденция характерна и для содержания калия – 3,1 -3,7% в начале вегетации с уменьшением до 0,3% к концу вегетации по всем вариантам опыта. Что касается Р, то его варьирование в течении вегетации культуры было слабым – от 0,3-0,4% в июне до 0,1 % в сентябре по всем вариантам опыта. При внесении азотных удобрений в начале вегетации культуры концентрация N в основном зависит от стадии роста Miscanthus, а не от обеспеченности минеральными удобрениями.
Рисунок 1 – Нарастание биомассы Miscanthus за четыре года вегетации (2017-2020 гг.).
Таким образом, установлено, что азотное удобрение в количестве от 30 до 120 кг/га азота существенно не изменило содержание азота в надземной части растений Miscanthus. Снижение содержания N и К в период с июня по август коррелировало с интенсивным периодом накопления сухого вещества.
Максимальные урожаи надземной биомассы сухого вещества достигаются во второй половине вегетационного периода, к фазе цветения культуры (август) - в наших исследованиях самый высокий прирост биомассы Miscanthus наблюдался в фазу цветения от 16,1 т/га сухого вещества на контрольном варианте (2017 г.) до 17,1 т/га на удобренном варианте N90 (2018 г.). Далее в период с сентября по октябрь количество надземной биомассы снижалось из-за начала старения и последующего опада листьев на всех изучаемых вариантах опыта (см. рисунок 1).
2017 и 2018 гг. характеризуются повышенной продуктивностью по всем вариантам опыта. Минимальная продуктивность отмечена на контрольном варианте (12,1 т/га в 2018 г.), максимальная на варианте N90 в 2018 г.– 16,9 т/га (см. рис. 1). Существенных различий между вариантами удобренности не отмечено в силу высокой вариации значений между повторениями. В последующие годы происходит снижение биомассы в фазу отмирания до 9,7 т/га на контрольном варианте и 12,2 -13,0 т/га на вариантах N90-N120. В 2019-2020 гг. на всех удобренных вариантах (N30-N120) прибавка была несущественная по сравнению с контролем. Снижение биомассы в 2019-2020 гг. связано с микроклиматическими условиями лет - понижением среднемесячной температуры и низкими осадками июня.
Внесение азотных удобрений не приводит к существенному увеличению продуктивности культуры. Но высокие дозы удобрений отразились на качестве получаемого сырья – отмечено повышение зольности в 1,6 раз - с 2,65 % на контроле до 4,21 % к варианту N120.
Таким образом, внесение минеральных удобрений (N90 и N120) существенно не повлияло на урожайность Miscanthus, хотя наблюдается тенденция к увеличению при внесении удобрений, но отразилось на качественном состоянии травостоя: повышение полегания полога, снижение количества генеративных стеблей, повышение облиственности, а также повышение золы в получаемом сырье. На варианте N60 продуктивность в годы исследований варьировала от 11,5 до 16,9 т/га, существенно не отличаясь от контроля. Оптимальным вариантом с хорошей продуктивностью, низкой облиственностью и минимумом затрат на питание травостоя является вариант N30.
Выводы
Сезонная динамика питательных веществ была следующей: максимальная концентрация азота и калия отмечена в начальный период роста растений, не отличаясь существенно по уровням удобренности, с постепенным уменьшением к окончанию вегетации. Наибольшая концентрация азота отмечена в листьях и при увеличении процента облиственности на высоких дозах азотных удобрений будет приводить к увеличению данного элемента в получаемом сырье. Значение содержания фосфора оставалось стабильным на протяжении всей вегетации культуры. Рост, развитие и динамика питательных веществ зрелого Miscanthus варьировались в течение четырех сезонов роста: надземная биомасса увеличилась в течение вегетационного периода 2017 г. и 2018 г., имея по всем уровням удобренности высокие значения и достигая максимальной урожайности в 2017 г. 15,9 и 16,1 т/га при удобренности N0 и N120, соответственно и в 2018 г. 16,5 и 16,9 т/га при удобренности N90 и N120, соответственно. В последующие годы (2019, 2020 гг.) происходит снижение продуктивности, вызванное климатическими факторами, до 9,7-12,8 т/га также с тенденцией к увеличению на удобренных фонах. С повышением урожайности на удобренных фонах отмечено снижение числа генеративных побегов и повышение облиственности и полегания травостоя, а также увеличение зольных элементов в получаемом сырье.
Работа поддержана бюджетным проектом Сибирского научно-исследовательского института растениеводства и селекции – филиал ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН № FWNR-2022-0018.
1. Himken M., Lammel J., Neukirchen D. et al. Cultivation of Miscanthus under West European conditions: Seasonal changes in dry matter production, nutrient uptake and remobilization/ M. Himken, J. Lammel, D. Neukirchen, U. et al. // Plant Soil. – 1997. – № 189. – R. 117–126. EDN: https://elibrary.ru/AJQGPX
2. Christian D.G., Yates N.E., Riche A.B. Growth, yield and mineral content of Miscanthus giganteus grown as a biofuel for 14 successive harvests / D.G. Christian, A.B. Riche, N.E. Yates // Industrial Crops and Products. – 2008. – № 28 (3). R. 320- 327.
3. Dohleman F.G., Heaton E.A., Arundale R. A., Long S.P. Seasonal dynamics of above‐ and below‐ground biomass and nitrogen partitioning in Miscanthus × giganteus and Panicum virgatum across three growing seasons. / F.G. Dohleman, E.A. Heaton, R. A. Arundale, S.P. Long // Global Change Biology Bioenergy. – 2012. – № 4(5). – R. 534-544.
4. Heaton E., Voigt T., Long S. P. A quantitative review comparing the yields of two candidate C4 perennial biomass crops in relation to nitrogen, temperature and water E.Heaton, T.Voigt, S. P. Long // Biomass and Bioenergy. – 2004. №27. – R. 21-30.
5. Ercoli, L., Mariotti, M., Masoni, A. and Bonari, E. (1999) Effect of Irrigation and Nitrogen Fertilization on Biomass Yield and Efficiency of Energy Use in Crop Production of Miscanthus. Field Crops Research, 63, 3-11. https://doi.org/10.1016/S0378-4290(99)00022-2 EDN: https://elibrary.ru/ADDGIT
6. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy). – 5-e izd., dop. i pererab. – M.: Agropromizdat, 1985. – 351 s.
7. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu kompleksnogo monitoringa plodorodiya zemel' sel'skohozyaystvennogo naznacheniya // M.: Rosinformagroteh, 2003. – 240 s.
8. Myazin N.G. Sistema udobreniya: uchebnoe posobie / Voronezh: FGOU VPO VGAU, 2009. – 350 s. EDN: https://elibrary.ru/TIMWXZ
9. Christian D.G., Poulton P.R., Riche A.B. et al. The recovery over several seasons of 15 N-labelled fertilizer applied to Miscanthus giganteus ranging from 1 to 3 years old / D.G. Christian, P.R. Poulton, A.B. Riche et al. // Biomass Bioenergy. – 2006. – № 30. – S. 125–133.
10. Clifton-Brown J.C., Breuer J., Jones M.B. Carbon mitigation by the energy crop, Miscanthus / J.C. Clifton-Brown, J. Breuer, M.B. Jones // Global Change Biology Bioenergy. – 2007. – № 13. – R. 2296–2307.
11. Lewandowski I., Clifton-Brown J.C. European Miscanthus: Improvement Project (EMI), FAIR3 CT-96-1392: Final Report, 2000. – 260 p.
12. Lammel J., Neukirchen D., Czypionka-Krause U., Olfs H.W. Cultivation of Miscanthus under West European conditions: Seasonal changes in dry matter production, nutrient uptake and remobilization / J. Lammel, D. Neukirchen, U. Czypionka-Krause, H.W. Olfs // Plant Soil. – 1997. – № 189. – R. 117–126. EDN: https://elibrary.ru/AJQGPX
13. Jorgensen U., Genotypic variation in dry matter accumulation and content of N, K and Cl in Miscanthus in Denmark// Biomass Bioenergy. – 1997. –№ 12. – R.155–169.
