За матеріалами статті на тему «Ефективність та управління азотним підживленням цукрових буряків як ярої культури: огляд» («Efficiency and Management of Nitrogen Fertilization in Sugar Beet as Spring Crop: A Review») журналу «Азот» («Nitrogen») 3, 2020 р.

Вміст цукру в буряку зазвичай становить 13-20%. Загальна біомаса цукрових буряків поділяється на кореневу та листкову суху речовину. За останні десятиліття урожайність цукрових буряків щороку збільшувалася на 1,5%, а цукристість зросла за рахунок листкової біомаси (або сухої речовини листя). Більше 98% загального кореневого цукру становить сахароза, тоді як фруктоза і глюкоза присутні в дуже малих кількостях.

Підживлення істотно впливає на формування врожайності та якості цукрових буряків. Азот є детально дослідженою та найбільш обмеженою поживною речовиною, безпосередньо пов’язаною з урожайністю та якістю цукрових буряків. Багато дослідників повідомляли по те, що надмірне підживлення буряків азотом призводить до більш пишного розвитку листя і крони, в той час як дозрівання коренеплодів сповільнюється, а вміст цукру знижується. Крім того, якість коренів може погіршуватися через підвищений вміст мелаясоутворюючих елементів.

Як один з основних структурних блоків, азот відіграє особливе значення для рослин, оскільки є складовою частиною білків, з яких утворюються протоплазма, клітини та тканини рослин. Крім того, він є основним елементом урожайності рослин. Діапазон концентрації азоту в листовій пластинці цукрових буряків становить від 2,2 до 3,5%, а в черешку – від 1,0 до 1,5%. Цукровий буряк потребує великої кількості азоту як поживної речовини. Кількість внесеного в ґрунт азоту слід визначати відповідно до хімічних та мікробіологічних властивостей ґрунту. Крім того, слід враховувати погодні умови, щоб уникнути невикористаного азоту рослинами, який через надзвичайну нестабільність може переміщуватися в глибші шари ґрунту та призводити до евтрофікації підземних вод. Крім того, надмірна кількість азотних добрив негативно впливає на вміст мелясоутворюючих речовин, насамперед альфа-аміно азоту.

Визначення норми азоту: значення методів EUF та N_min

Для визначення рекомендацій щодо підживлення сільськогосподарських культур на основі стану поживних речовин у ґрунті використовуються хімічні аналітичні методи та методики. При виборі аналітичних методів слід враховувати, що будь-який аналітичний метод хороший, якщо є добре розроблена система інтерпретації аналітичних значень. Для інтерпретації результатів використовуються таблиці граничних значень, які дають більш орієнтовні результати, оскільки біологічна доступність поживних речовин не є статичною величиною. Це залежить від ряду факторів: біологічних, фізичних, гідрологічних, агротехнічних. Класичні методи аналізу ґрунту – це в основному одноразові вилучення, які оцінюють лише наявні в ґрунті поживні речовини, а не запаси поживних речовин. Визначення доступної кількості поживних речовин у ґрунті є загальною основою для рекомендацій щодо внесення необхідних добрив. Тому необхідні аналітичні та прогностичні методи, щоб забезпечити уявлення про кількість доступних поживних речовин у ґрунті, швидкість зміни кількості ідентифікованих поживних речовин протягом вегетаційного періоду (наприклад, поглинання, промивання або фіксації) та кількості поживних речовин, які необхідно збільшити для забезпечення оптимального живлення рослин. У деяких випадках при розрахунках також враховується необхідність підвищення рівня деяких поживних речовин у ґрунті до цільового значення.

Метод електро-ультрафільтрації (EUF) — це екстракція як неорганічної (EUF-NO₃), так і органічної (EUF-N_org) фракцій EUF-N, але цей метод також може витягувати синтетичні амінокислоти, розчинені у воді. Визначені поживні речовини рослин виділяють із розчинів у вигляді іонів, катіонів (Ca₂⁺, K⁺, Mg₂⁺, NH₄⁺, Mn₂⁺, Fe₃⁺) та аніонів (NO₃^-, SO₄^2-, BO₃^3-). Змінюючи температуру і напругу струму в ґрунтово-водних суспензіях із ґрунту, відокремлюються слабші або міцніші зв’язані поживні речовини. Середовищем для екстрагування є дистильована вода. Під час вилучення під впливом електричних полів (постійного струму) із суспензії від анодів і катодів відриваються різно заряджені іони та частинки. Цей процес спочатку відокремлює легкорозчинні поживні речовини, а потім зв’язану поживну фракцію, яка протягом вегетаційного періоду поступово мобілізується з ґрунту. Для методу EUF екстрагований неорганічний азот (основний нітрат) та органічний азот є основою для рекомендації щодо внесення азотних добрив, оскільки цукрові буряки використовують обидві фракції азоту (EUF-NO₃ та EUF-N_org). Метод EUF для аналізу ґрунтів був запроваджений в Австрії та Німеччині в 1974 та 1982 роках. Із моменту впровадження EUF проаналізував понад 1,2 мільйонів зразків ґрунту. Крім цукрових буряків, метод використовувався для інших польових культур, таких як зернові, картопля та виноградники.

Для розрахунку EUF потреби в азоті рекомендується використовувати суму кількостей азоту, що екстрагується. Для цукрових буряків, які вирощуються в кліматичних умовах Західної та Центральної Європи, надходження азоту в літні місяці (травень-вересень) є дуже важливим, оскільки він визначає врожайність і якість коренеплодів. В Австрії, Югославії та Данії було визначено, що протягом трьох років значення EUF-N 1 мг/100 г ґрунту в період із червня по вересень було еквівалентним 40 кг/га N. Крім того, на додаток до EUF часто використовується механічний аналіз, а при весняній посівній кількість азоту часто перевіряється методом N_min.

Методом N_min визначали концентрацію та загальну кількість мінеральних форм азоту в ґрунті — нітрату (N-NO₃), аміаку (N-NH₄⁺) та вологості ґрунту. Методом N_min визначають кількість мінеральних форм азоту (доступного N) для ярих культур перед посівною або перед сівбою та збиранням озимих зернових у доступній для кореневої системи зоні. Тому замість індивідуального визначення метод N_min являє собою синтез кількох факторів доступності азоту (залишок азоту від попередньої культури, рослинні рештки, ґрунтово-кліматичні умови). Калькулятор N_min призначений для підживлення та стартового внесення азоту для озимих зернових, кукурудзи та цукрових буряків. Рекомендації щодо внесення добрив комп’ютерної моделі за методом N_min враховують всі необхідні параметри (вміст мінералізованого азоту в ґрунті, вологість ґрунту, час відбору проби та текстуру ґрунту) для оцінки норми азоту. Недоліками методу N_min є непрактичність короткого часу між відбором проб і проведенням аналізу до застосування рекомендації щодо внесення добрив, а при методі EUF – велика варіабельність результатів, особливо на глинистих ґрунтах. Для цукрових буряків, як ярої культури, за методом N_min зразки ґрунту необхідно відбирати на третьому тижні лютого та в першій декаді березня. Всього було відібрано 20-25 індивідуальних проб із площі не більше 10-20 га з однієї культури-попередника, такого ж типу ґрунту та однорідної конфігурації місцевості та об’єднано у пробу масою 0,5-1 кг. Окремі проби відбирали з глибини 0-30 см, 30-60 см, 60-90 см.

Вплив азотного підживлення на вегетаційний ріст цукрових буряків

Одні вчені вказують на те, що бажано, щоб цукрові буряки якомога швидше досягли розвитку крони на 85%, яка покриє ґрунт, щоб максимально використовувати сонячне випромінювання, тоді як інші зазначають, що новіші генотипи можуть досягати до 90% змикання рядків. Згідно з дворічним дослідженням у Німеччині (Геттінген), вчені стверджують, що в помірних кліматичних умовах цукровий буряк, як яра культура, поглинув лише 24% сонячного випромінювання, що надходило в травні, і до 83% — у травні-червень.

У європейській зоні виробництва найбільш інтенсивне формування листя починається на початку червня, коли відбувається змикання рядків, і триває до середини липня. Після цього рослина формує листя менших розмірів, а до кінця вегетаційного періоду листя поступово відмирає. Ріст коренеплодів цукрових буряків через вегетаційні стадії має лінійну тенденцію, причому найбільший приріст припадає на середину липня – середину серпня.

Розетка цукрових буряків досягає свого максимуму наприкінці липня – на початку серпня, а до кінця вегетації поступово зменшується. За наявними даними, в агроекологічних умовах Південно-Східної Європи найбільший добовий приріст листя цукрових буряків припадає на період із середини червня до середини липня.

Вчені стверджують, що більша кількість азоту (126 і 156 кг/га N), порівняно з меншою (63 і 78 кг/га N), призвела до збільшення свіжої маси листя та окремих листків (11-й, 16-й, 26-й та 31-й листок), при цьому статистично значущих відмінностей між різними нормами азоту та кількістю листків цукрових буряків не було виявлено. Вчені стверджують, що в умовах зниженого запасу азоту на початку вегетації розвиток цукрових буряків відбувається однаково, оскільки буряки мають достатньо доступного азоту. Наголошується, що в умовах меншої забезпеченості азотом цукрові буряки дозрівають раніше, але при цьому листя стає світлішим, а корінь відстає у рості.

Новіші генотипи мають прямостоячі листки, які дозволяють рослинам рости на меншій вегетаційній площі. Зазначається, що гібриди з більш прямостоячим листям краще переносять затінення, тобто їх можна вирощувати при більшій густоті. На додаток до вищесказаного, з точки зору фотосинтезу, вчені підкреслюють важливість вертикального розподілу листя, тобто кута, під яким листя розташоване на розетці.

При весняному посіві відмирання листя цукрових буряків відбувається інтенсивніше після липня. Вчені вказують на те, що температура повітря та сонячне випромінювання мають дуже значний вплив (p < 0,001) на ріст листя буряків у перші 65 днів після посіву (початок червня).

У фазі інтенсивного розвитку листя (середина червня – кінець липня) загальна площа листя однієї рослини становить від 2000 до 6000 см², тоді як оптимальний індекс площі листя (ІПЛ) цукрових буряків у цей період становить від 3 до 4 м²/м². При оптимальному індексі площі листя цукрових буряків (3-4 м²/м²) зовнішнє листя поглинає майже все сонячне випромінювання. Якщо ІПЛ вищий за оптимальний, фотосинтез нижніх листків знижується, зменшується стійкість рослин до посухи і збільшується потреба в поживних речовинах. Вчені наголошують на важливості підживлення азотом і стверджують, що залежно від внесення азоту в серпні та вересні була виявлена різна кількість сухого листя буряків. Крім того, автори вказують на те, що цукровий буряк мав у середньому 1,58 сухого листя наприкінці червня і на початку липня, 5,58 — у серпні та 9,55 сухих листків — у другій половині вересня.

На основі аналізу одинадцяти гібридів Інституту польових та овочевих культур у Нові Саді наголошується на важливості самого генотипу для формування листкової розетки. Автор вказує, що у молодих буряків у фазі 6-12 листочків площа листків на одну рослину різна залежно від генотипу (від 414,24 см² до 1099,89 см²). Відмінності в площі листя між генотипами у фазі інтенсивного росту коренів (11 липня – 11 серпня) були не настільки вираженими (в середньому 2741,5 см² і 2892,3 см²). При аналізі ІПЛ наголошується на важливості генотипу. Згідно з дослідженнями 12 генотипів цукрових буряків у Греції було виявлено, що у фазі найбільшої площі листя, на початку липня, індекс площі листя (ІПЛ) коливався від 1,78 м²/м² (гібрид Ramona) до 5,03 м²/м² (гібрид Dorothea).

У перший рік дослідження було отримано значення ІПЛ від 0,38 м²/м² до 5,36 м²/м² під час вегетаційного росту. За 11 дат відбору проб (із червня по жовтень) було виявлено дуже значні зміни в ІПЛ (гібрид Rizor). Також констатується, що до кінця вегетаційного сезону листя зменшується в розмірі (площа листя, зменшується довжина, ширина і радіус), а листкова пластина стає більш округлою.

Вчені дійшли до висновку, що при меншій кількості рослин на одиницю площі цукрові буряки не можуть повністю використовувати вегетаційну площу, а завдяки збільшенню підживлення забезпеченість азотом збільшилася, але вміст та вихід цукру зменшилися.

Як і для більшості польових культур, азот є важливою поживною речовиною для цукрових буряках. Для досягнення максимальної врожайності буряку потрібна більша кількість азоту, тому внесення добрив є одним із найважливіших агротехнічних заходів у виробництві цукрових буряків. Як надмірне, так і дефіцитне внесення добрив, особливо азоту, може призвести до втрати врожаю або зниження якості коренеплодів буряків. В умовах дефіциту азоту цукровий буряк має меншу площу асиміляції і менший коренеплід із більшою кількістю сахарози, але вихід цукру з одиниці площі нижчий через меншу врожайність.

Розглядаючи потреби цукрових буряків в азоті, зазначається, що найбільше азоту цукровий буряк потребує у фазі інтенсивного росту листя, що найчастіше припадає на початок червня, тобто з моменту змикання рядків, до середини липня. З іншого боку, найменшу потребу в азоті буряки мають під час інтенсивного накопичення цукру в коренеплоді, тому доступність азоту в ґрунті має бути нижчою, щоб запобігти утворенню небажаних сполук, які перешкоджають накопиченню та виділенню цукру.

Для розвитку 85% листової розетки цукровому буряку необхідно 0,04 г N/см² листка, що відповідає 120 кг/га N, тому дуже важливо забезпечити рослину достатньою кількістю азоту, щоб розетка листя могла краще використовувати сонячну енергію.

Цукровий буряк також добре засвоює амонійну форму азоту (NH₄⁺), яка через фізіологічні процеси в клітинах кореня, може негативно впливати на вміст цукру в буряку, нівелюючи його або перешкоджаючи синтезу сахарози. Тому навесні, перед посівом і під час підживлення цукрових буряків, слід уникати добрив, які мають амонійну форму азоту, наприклад карбамід (CO(NH₂)₂, 46% N) і КАС (сечовина + NH₄NO₃ + вода, 30% N). При внесенні 115 кг/га N у вигляді нітрату кальцію амонію (CAN) урожайність цукрових буряків становила 47,7 т/га, а вихід цукру — 8,49 т/га, тоді як при внесенні такої ж кількості азоту у вигляді сечовини урожайність буряків складала 44,2 т/га, а вихід цукру — 7,31 т/га.

Після двох років досліджень у Хорватії вчені стверджують, що базове підживлення 100 кг/га сечовини збільшує врожайність буряків із 57,6 т/га (контроль) до 61,4 т/га, вміст цукру — з 15,7% (контроль) до 15,8% та вихід цукру — з 7,7 т/га (контроль) до 8,3 т/га. Крім того, найкращі результати показало позакореневе підживлення у фазі 2-4 листочків у нормі 50 кг/га CAN без основного підживлення восени: урожайність буряків склала 68,1 т/га, цукристість — 15,9%, а вихід цукру — 9,31 т/га.

Під час збирання цукровий буряк містять фосфор у кількості 0,8 кг/т свіжої речовини, калію 1,7 кг/т свіжої речовини, тоді як під час вегетаційного сезону рослина може поглинути фосфору всього 1,9 кг/т свіжої речовини та калію в кількості 7,9 кг/т свіжої речовини.

Підживлення цукрових буряків азотом

На більшості ґрунтів Хорватії підживлення цукрових буряків становить 140-160 кг/га N, 80-130 кг/га P₂O₅ і 150-250 кг/га K₂O. У виробництві цукрових буряків фосфор і калій зазвичай вносяться восени, тоді як від половини до однієї третини загальної необхідної кількості азоту вносять восени, а решту — навесні.

За останні 20 років у Німеччині використання фосфорних добрив у вирощуванні цукрових буряків скоротилося з 65 до 20 кг/га, а калійних – із 200 до 60 кг/га. Для досягнення задовільної урожайності азот вноситься в кількості 120 кг/га N, і така практика використовується в більшості країн Європейського Союзу. Основна причина цього полягає в тому, що в усьому світі ресурси фосфорних добрив дуже малі по відношенню до азотних і калійних добрив. Добрива слід використовувати лише за наявності доведеної їх нестачі в ґрунті, щоб уникнути надмірного внесення та забруднення навколишнього середовища. Перед внесенням добрив необхідно провести аналіз ґрунту, а дозування можна частково зменшити шляхом внесення гною.

У багатьох європейських країнах існує практика вносити весь азот, необхідний для досягнення максимальної врожайності цукрових буряків, навесні в обсязі від 30 до 40 кг/га, який слід вносити перед посівом, а решту вносять для підживлення буряків у фазі 2-4 листочків.

Цукровий буряк має найбільшу потребу в поживних речовинах у фазі інтенсивного розвитку листя (з початку червня до середини липня). Вихід цукру лінійно пов’язаний з виходом сухої речовини та загальним поглинанням азоту. Вчені вказують на те, що збільшення норми азоту до більше ніж 200 кг/га не збільшує вихід цукру, за шість років досліджень максимальний вихід цукру був отриманий при застосуванні 125 кг/га N або менше.

Відмінності в частці сухої речовини коренів залежно від підживлення азотом були не дуже вираженими. За результатами проведених досліджень середня частка сухої речовини коренів становила 22,5% при внесенні 150 кг/га N 23,6%, тоді як при ще більшій кількості азоту — 300 кг/га суха речовина зменшилася до контрольного рівня (22,5%). Інші дослідження вказують на позитивний вплив азоту на вихід сухої речовини листя цукрових буряків. А саме, автори дійшли до висновку, що при більшому внесенні добрив (300 кг/га N) вихід сухої речовини листя збільшився до понад 31 т/га.

Також підкреслюється важливість мінералізації ґрунтів. А саме, незважаючи на те що середня потреба цукрових буряків в азоті становить приблизно 200-250 кг/га, вважається, що приблизно від 100 до 150 кг/га N було мінералізовано в ґрунті через вегетацію, що зменшує потребу внесення більшої кількості азоту. У Німеччині на близько 75% загальної площі вирощування цукрових буряків вносять менше 120 кг/га N, тоді як на решті площі вноситься ще менше азоту, тобто близько 80 кг/га N.

Використовуючи комбінацію різних доз добрив NPK у дворічному дослідженні, вчені визначили найвищу врожайність коренеплодів (98,86 т/га) та вихід цукру (8,91 т/га) при внесенні 100 кг/га N, 150 кг/га P₂O₅ і 150 кг/га K₂O.

Існує зв'язок між внесенням азотних добрив і вмістом азоту в рослині. Було виявлено, що підживлення азотом 480 кг/га N призвело до накопичення 569 кг/га N в цукрових буряках, тоді як у не підживлених буряках було виявлено 420 кг/га N.

Збільшення внесення азотних добрив (0, 120 і 240 кг/га N) зменшило вміст цукру з 17,1% у контрольному зразку до 15,7%. Проте вихід кристалізованого цукру залишився незмінним (у середньому 5,7 т/га). Крім того, збільшення внесення азотних добрив до 240 кг/га N призвело до збільшення виходу листя, а також крони і врожайності коренів (82,8 т/га і 42,9 т/га, порівняно з контрольним рівнем 42,7 т/га та 38,2 т/га відповідно).

Ефективність використання азоту (NUE) у виробництві цукрових буряків

Підвищення ефективності використання азоту можна досягти шляхом використання правильної комбінації поживних речовин, проведення підживлення у потрібний час та уникнення втрати поживних речовин. Азот є дуже рухливим елементом, і його можна втратити кількома способами. Втрати часто є непостійними в повітрі, а також у вигляді вимивання в глибоких шарах ґрунту опадами та підземними водами. Обидва випадки призводять до економічних втрат, а також до екологічних проблем. На втрати азоту впливає його форма (нітрат, амоній або сечовина), а також властивості ґрунту (рН, текстура, температура, вологість, здатність до катіонного обміну, органічна речовина) та порядок внесення добрив (час і дозування).

Ще один важливий підхід до виробництва цукрових буряків – органічне землеробство, яке є однією з найважливіших сільськогосподарських практик, орієнтованих на безпеку харчових продуктів та збереження біологічного різноманіття. Це означає виробництво їжі зі здорового середовища землі, рослин і тварин. В органічному виробництві не використовуються органічні добрива, генетично модифіковані організми, пестициди та інші синтетичні хімічні речовини. Органічне сільськогосподарське виробництво зменшує вплив людини на навколишнє середовище, покращує якість ґрунтів у довгостроковій перспективі та сприяє збільшенню біологічного різноманіття.

Тому головною проблемою для селекціонерів є виведення сортів цукрових буряків з вищим NUE без створення дефіциту азоту та/або зниження врожайності для зменшення забруднення навколишнього середовища та виробничих витрат. Для виведення N-ефективних сортів селекцію можна проводити безпосередньо через N стресові умови або опосередковано за оптимальних умов виробництва. Прямий відбір має перевагу у цільовому середовищі, що дозволяє виявити взаємодію між генотипом і виробничою системою. Точне землеробство з використанням геоінформаційної системи (GIS) у майбутньому матиме великий вплив на покращення NUE у виробництві цукрових буряків.