За матеріалами статті на тему «Вплив періоду посіву та видів міжрядних покривних культур на врожайність та якість цукрових буряків» («Seeding time and interseeded cover crop species influence sugarbeet yield and quality»), Університет Півннічної Дакоти, вересень 2020 р.

Покривні культури можуть зменшити вплив ерозії ґрунту, поліпшити ефективність використання поживних речовин за рахунок зменшення їх втрат, фіксації азоту та поліпшення якості ґрунту. Для підтримки екосистеми та захисту ґрунту покривні культури висіваються або після збирання врожаю, або одночасно з основною культурою. Застосування покривних культур стало популярним на півночі Великих рівнин як спосіб зменшення ерозії ґрунту. Міжрядні покривні культури можуть накопичувати більше біомаси, ніж озимі покривні культури, а, отже, мають більший потенціал для зменшення втрат ґрунту. Однак успіх покривних культур залежить від вегетаційного періоду та особливостей вирощуваних сортів.

Найчастіше вирощувані покривні культури поділяються на три основні ботанічні родини: трави (Тонконогі), бобові (Fabaceae) та рослини з родини Капустяних. Дуже важливо вибрати покривну культуру, яка забезпечувала б усі переваги без негативного впливу на урожайність основної культури. Капустяні можуть поглинати поживні речовини і пригнічувати ріст бур’янів, тоді як такі трави, як овес (Avena sativa L.) та жито (Secale cereale L.), відомі тим, що поліпшують ґрунт та поглинають поживні речовини. Бобові покривні культури найчастіше використовуються для біологічної фіксації азоту, необхідного для наступної культури. Враховуючи наявні варіанти покривних культур, виробники повинні визначити свої потреби та довгострокові цілі, перш ніж обрати покривну культуру. У різних сівозмінах із цукровим буряком детально досліджувався тільки однорічний райграс (Lolium multiflorum L.). Капустяні та бобові культури ще не досліджені в системах із цукровими буряками. Тому необхідно порівняти вплив використання зернових, капустяних та бобових культур у якості покривних культур на врожайність цукрових буряків, вміст цукру та економічну прибутковість.

Успішне вирощування міжрядних покривних культур залежить від періоду їх посівної та виду. Період посіву покривних культур може впливати на врожайність основної культури та вміст азоту, ймовірно через його іммобілізацію, конкуренцію за ресурси, виснаження ґрунтової води або алелопатію. Час посіву покривних культур відіграє важливу роль у визначенні продуктивності наступної культури. Деякі види покривних культур вимагають ранньої посівної  для розвитку восени, тоді як зимові однорічні види розвиваються навесні, їх можна висаджувати пізніше восени. Вибір покривної культури може багато в чому залежати від часу посівної, бажаного ефекту та вартості. Наприклад, жито використовується через його здатність добре закріплюватися при більш пізній посівній та забезпечувати велику кількість біомаси. І навпаки, горох потребує проведення більш ранньої посівної, а фіксація/утримання поживних речовин є бажаним результатом. Отже, необхідно порівняти різні види покривних культур та визначити відповідний період посіву покривної культури в міжряддя, щоб забезпечити екологічні переваги, продуктивність та ефективність виробництва цукрових буряків.

Отже, метою дослідження було визначити вплив міжрядного посіву покривних культур на урожайність та якість цукрових буряків. Було висунуто гіпотезу, що посівна покривних культур у міжряддя покращить урожайність та якість цукрових буряків. Польові випробування проводилися на двох ділянках протягом вегетаційних сезонів 2018 та 2019 років.

Два періоди міжрядної посівної (перший (ранній) та другий (пізній)) та чотири види покривних культур:

1. озиме жито (Secale cereale L.),
2. рижій (камеліна) (Camelina sativa L.),
3. австрійський горох (Pisum sativum L.), 
4. чорна гірчиця (Brassica juncea L.).

Вплив періоду посівної та видів покривних культур досліджували на основі:

1. виробництва біомаси покривної культури та видалення азоту (N),
2. врожайності цукрових буряків,
3. вмісту цукру,
4. виходу цукру,
5. економічної рентабельності,
6. доступності азоту в ґрунті після посівної та перед збиранням врожаю.

У США виробники просапних культур використовуються агротехнічні прийоми, які забезпечують покращення стану ґрунту, навколишнього середовища та економічної рентабельності; використання покривних культур — є однією із ефективних та екологічних практик, які користуються значною увагою з боку виробників, які практикують вирощування різних видів покривних культур, які підходять для їх культивованих земель та сівозмін, відповідних термінів посівної та уникають конкуренції з основними культурами.

Виробництво цукрових буряків у долині Ред-Рівер

Цукровий буряк — основна культура у виробництві цукру в США. На неї припадає більше 30% світового та 50% американського виробництва рафінованого цукру. Цукрові буряки вирощуються в 11 штатах, які розкидані вздовж Великих Озер, Верхнього Середнього Заходу, Великих рівнин та регіонів Далекого Заходу країни. Основними штатами-виробниками цукрових буряків є Міннесота, Айдахо, Північна Дакота, Мічиган, Монтана, Небраска, Огайо, Вайомінг, Колорадо, Каліфорнія, Орегон та Вашингтон.

У Долині Ред-Рівер Північної Дакоти та Міннесоти знаходяться майже 55% (249 691 га) загальної посівної площі цукрових буряків США (Рис. 1). Протягом останніх 20 років у Долині Ред-Рівер галузь із виробництва цукрових буряків пережила значний економічний підйом.

Рис. 1. Розподіл середньої врожайності коренеплодів цукрових буряків (т/га^-1) по 24 округах штату Міннесота та семи округах Північної Дакоти протягом вегетаційних сезонів 2013-2017 років

Сильний вітер може серйозно пошкоджувати цукрові буряки. Поки цукровий буряк не досягне повного змикання рядків, він забезпечує мінімальний захист ґрунту. Після осіннього обробітку ґрунту більшість полів залишаються незахищеними протягом шести-дев’яти місяців року (жовтень-травень/червень). Згідно з даними Служби з охорони природних ресурсів USDA, за останні три десятиліття ступінь ерозії зменшився, але все ще відбувається прискореними темпами. Тим не менш, у регіонах із прискореною ерозією втрати ґрунту значно перевищують загальні оцінки 11,2 т/га^-1 на рік^-1. Крім того, посилення кліматичних змін із частими посухами та сильними локальними зливами в регіоні прискорили негативний вплив. У системах просапних культур, включаючи покривні культури, можна забезпечити більш тривалий період захисту ґрунту, поглинання води та поживних речовин та зменшити ризики втрати поживних речовин із ґрунту.

Покривні культури

Покривні культури — це інструмент, який виробники використовують для мінімізації видування ґрунту за межі сільськогосподарського поля. Покривні культури можна вирощувати з основною культурою або після неї. На відміну від основних, покривні культури традиційно включаються в сівозміни в міжсезоння і використовуються для отримання екологічної вигоди. Вони можуть забезпечувати безліч екосистемних послуг, таких як контроль ерозії ґрунту, підвищення ефективності використання поживних речовин за рахунок зменшення їх втрат, фіксації азоту та поліпшення якості ґрунтів у межах агрономічних систем. Покривні культури можуть зменшувати вплив кліматичних змін за рахунок пом'якшення потепління та зменшення вразливості до ерозії, посухи, екстремальних погодних явищ та інших ландшафтних наслідків, спричинених глобальним потеплінням. За даними Національної служби сільськогосподарської статистики, в США покривними культурами засіваються 6,2 млн га загальних посівних площ. Було зафіксовано значний інтерес до використання покривних культур серед виробників для поліпшення стану ґрунту та підтримки продуктивності сільськогосподарських культур. Покривні культури стали важливою складовою системи землеробства у Верхньому Середньому Заході через їх потенціал зменшувати ерозію та поліпшувати якість ґрунту та води. Із 2012 по 2017 рік у штаті Невада площі з покривними культурами збільшилися на 89,1%. Однак ефективність використання покривних культур залежить від кількох факторів, таких як їх видів, періоду та норми посіву, умов проростання, сівозміни та попереднього застосування гербіцидів.

Переваги покривних культур для вирощування сільськогосподарських культур та довкілля

Накопичення органічних речовин ґрунту (SOM)

Органічні речовини ґрунту (SOM) відіграють важливу роль у круговороті поживних речовин, якості ґрунту, біологічній активності та доступності води. Покривні культури збільшують або підтримують рівень SOM, забезпечуючи більший вміст вуглецю (C) у вигляді рослинної біомаси. Вплив покривних культур на SOM пов'язаний здебільшого з кількістю та якістю біомаси, що повертається в ґрунт, швидкістю розкладання/гниття рослинного матеріалу та тривалістю перебування землі під покривними культурами, вихідним рівнем органічних речовин ґрунту, типом ґрунту, системами обробітку ґрунту та кліматичними факторами.

Дослідники повідомляли про посилення секвестрації вуглецю в ґрунті з покривними культурами та накопичення азоту. Більш високий рівень надходження вуглецю, що повертається з покривних культур, збільшує вміст органічного вуглецю в ґрунті на глибині 0-30 см. Зернові покривні культури збільшують або підтримують рівень органічних речовин ґрунту (SOM), забезпечуючи більше надходження вуглецю у вигляді рослинної біомаси. Бобові покривні культури можуть збільшувати або підтримувати рівень SOM, якщо їх біомаса більша. У штаті Кентуккі безперервне вирощування кукурудзи (Zea mays L.) та вики волохатої (Vicia villosa L.) збільшило загальний вміст вуглецю та азоту в ґрунті, порівняно з вирощуванням тільки кукурудзи (без вики), через більшу кількість рослинних решток. Подібні дослідження показали, що бобова покривна культура вплинула на збільшення рівня органічних речовин ґрунту через більший вміст вуглецю в рослинній біомасі. Довгострокові дослідження в Італії також показали вищий рівень органічних речовин у  верхньому шарі ґрунту (до 10 см) через п’ять років після впровадження вирощування покривних культур та на глибині до 30 см через 15 років. Вміст органічного вуглецю в ґрунті був приблизно на 9% вищим на ділянках, де вирощувалися збагачені азотом бобові покривні культури (конюшина (Trifolium spp.) та вика волохата), у порівнянні з контрольними посівами без покривних культур.

У довгостроковій перспективі таке збільшення вмісту органічних речовин ґрунту (SOM) через ріст та розкладання покривної культури сприяє покращенню міцності агрегатів завдяки підземному росту та збільшенню рівнів органічного вуглецю та зв’язуючих речовин. Збільшення вмісту органічних речовин ґрунту (SOM) включає потенціал для покращення структурних характеристик ґрунту, забезпеченості ґрунтовою водою та підвищення біологічної активності ґрунту. Отже, вирощування покривних культур може збільшити кругообіг поживних речовин та рівень органічних речовин ґрунту (SOM).

Зменшення ерозії ґрунту

Біомаса покривної культури та пожнивні рештки на поверхні ґрунту сприяють зменшенню вітрової та водної ерозії, перехоплюючи краплі дощу, зменшуючи ущільнення поверхні ґрунту та уповільнюючи рух води для збільшення часу, протягом якого вона просочується в ґрунт. Подібним чином лінійну ерозію, спричинену зсувною силою, також можна зменшити, використовуючи покривні культури безпосередньо за рахунок збільшення гідравлічного опору поверхні, уповільнення швидкості потоку та побічно за рахунок збільшення швидкості інфільтрації ґрунту. Користь покривних культур для захисту ґрунту від вітру визнається здебільшого в напівпосушливих умовах, де живі корені забезпечують закріплення ґрунту, а пагони — фізичний захист, що зменшує ерозію та призводить до поліпшення якості повітря. Кілька досліджень повідомляють, що покривні культури зменшують щорічні втрати ґрунту від звичайних систем обробітку ґрунту. Застосування покривних культур може зменшити втрати ґрунту на 40-96%.  

Ерозія та ущільнення є двома проблемами, які загрожують земельному фонду планети, а покривні культури довели свою здатність пом'якшувати ці проблеми.  Було виявлено, що вирощування видів із великим стрижневим коренем, таких як кормова редька (Raphanus sativus L.), збільшує критичний рівень води, при якому відбувається ущільнення ґрунту. Це допомагає зменшити ущільнення, фізично створюючи пори, зменшуючи об'ємну щільність і збільшуючи пористість ґрунту. Подібно до інших систем вирощування сільськогосподарських культур, покривна культура в системі виробництва цукрових буряків може забезпечити багато переваг для екосистеми, а також підтримати ґрунтовий покрив, мінімізуючи ерозію ґрунту. Таким чином, вирощування покривних культур у міжрядді основної культури дозволить захистити ґрунт відразу після збирання врожаю.

Зменшення втрат азоту

Асиміляція азоту покривними культурами може захищати якість води та втримувати азот, цей рухомий елемент буде доступний для майбутньої мінералізації та використання наступними культурами у сівозміні.

Покривні культури можуть зменшити втрати азоту шляхом іммобілізації та/або збільшити його вміст шляхом біологічної фіксації. Значна кількість залишкового азоту в ґрунті може поглинатися покривними культурами. Покривні культури вважаються стійкою стратегією забезпечення запасів азоту для вирощування наступних культур у сівозміні. Бобові покривні культури можуть збільшувати вміст азоту в ґрунті до 86 кг N га^-1 завдяки його фіксації, тоді як небобові та трави мають значну біомасу та ефективно захоплюють NO₃-N перед вимиванням. Вчені припустили, що надходження азоту із залишків покривних культур до основних культур, вирощуваних у сівозміні, робить їх привабливими для виробників. Біологічна фіксація азоту бобовими культурами може забезпечити значний його вміст для рослин та замінити внесення азотних добрив, роблячи їх стійким та відновлюваним джерелом азоту.  

Взимку покривні культури покривають землю, що допомагає запобігти ерозії, і залежно від їх видів можуть забезпечувати багато переваг для екосистеми. Однак переваги покривних культур та їх введення у сівозміну можуть бути обмежені коротким вікном для посіву після збирання врожаю основної культури, обмеженою кількістю стійких до заморозків видів покривних культур, додатковими витратами, відсутністю короткострокової економічної вигоди від їх вирощування. Щоб подолати таку проблему, покривні культури можна висівати в міжряддях основної культури, що гарантує достатньо часу для їх розвитку до зими.

Міжрядний посів покривних культур

Міжрядний посів або посів покривної культури в міжряддях основної культури варто проводити таким чином, щоб мінімізувати конкуренцію з основною культурою. Найкращі терміни для проведення посівної залежать від виду основної культури та її місця вирощування.

Міжрядна посівна покривних культур може подолати коротке вікно посіву та забезпечити достатній розвиток рослин до настання холодів. З огляду на те, що покривні культури мають достатньо часу для росту в сприятливих умовах, вважається, що вони забезпечують краще покриття ґрунту та пригнічення бур’янів. Дослідження показали, що вони мають більшу біомасу та покриття ґрунту. Таким чином, очікується, що покривна культура, посіяна в міжряддях цукрових буряків, швидше розвиватиметься, захищаючи таким чином цукровий буряк та ґрунт від бур’янів та пошкоджень вітром.

Вплив міжрядної посівної на врожайність основної культури

Від періоду проведення міжрядного посіву залежить успіх покривних культур. Конкуренція за світло часто є головним обмежуючим фактором у розвитку та виживанні покривних культур. Культури, посіяні до змикання рядків основної культури, слід висаджувати досить рано, щоб вони могли закріпитися в ґрунті, поки оптимальна сонячна радіація досягає поверхні землі, але при цьому досить пізно, щоб уникнути прямої конкуренції з основною культурою за воду, поживні речовини, сонячну радіацію тощо. Занадто рання посівна може призвести до конкуренції між покривними та основними культурами, тим самим зменшуючи врожайність основної культури. Отже, вирощувані види, умови навколишнього середовища, агротехнічні прийоми, такі як механічний обробіток ґрунту та терміни, можуть впливати на доступність азоту та врожайність основної культури.

Фактори, що впливають на успіх міжрядного посіву покривних культур

Період проведення міжрядної посівної

Рано висіяні покривні культури мають достатньо часу для збільшення біомаси. Однак занадто рання посівна може викликати недопустиму конкуренцію між покривними та основними культурами.

Вибір видів покривних культур

Вибір видів покривних культур відіграє важливу роль у визначенні їх ефективності. Сівозміна також впливає на вибір культури для міжрядного посіву. Бобові культури, такі як конюшина, зазвичай висаджуються тоді, коли необхідно збільшити вміст азоту в ґрунті, що може принести користь для вирощування наступної культури в сівозміні.

Дослідження, проведене в штаті Монтана, показало, що вирощування цукрового буряка з живою мульчею не має жодного негативного впливу на врожайність буряків. Подібно до інших систем вирощування сільськогосподарських культур, міжрядні покривні культури у системі виробництва цукрових буряків можуть забезпечити багато переваг для екосистеми. Однак практики обробітку покривних культур можуть впливати на виробництво цукрових буряків.

Матеріал та методи

Польові випробування проводилися в двох регіонах протягом вегетаційних сезонів 2018 та 2019 років (Таблиця 1). В експерименті використовувалися чотири види покривних культур (озиме жито (Secale cereale L.), рижій (камеліна) (Camelina sativa (L.), австрійський горох (Pisum sativum L.), чорна гірчиця (Brassica juncea L.) (Таблиця 2)), які висівалися  в два періоди (ранній та пізній) (Таблиця 3).

Таблиця 1. Опис різновидів ґрунтів експериментальних ділянок 2018-2019 років в штатах Міннесота та Північна Дакота

Таблиця 2. Норма висіву насіння (PLS) міжрядних проміжних культур для 2018 та 2019 вегетаційних періодів

Посівна цукрових буряків

На кожній ділянці висівалося по шість рядків цукрових буряків із міжряддям 55,9 см. Crystal 093, сорт цукрових буряків, стійкий до гліфосату, був висаджений з розрахунку 148,2 тис. рослин/га^-1. Насіння цукрового буряка висівалося на глибину 5 см за допомогою шестирядної сівалки John Deere (John Deere, Moline, IL).

Міжрядна посівна проміжних культур

Протягом обох сезонів вегетації міжрядні покривні культури висівалися у два різні періоди (рання та пізня посівна) (Таблиця 3). Насіння покривних культур висівалося з рекомендованою нормою висіву (PLS) (Таблиця 2) із використанням V-подібної мотики з двома лапами на відстані 15 см один від одного, щоб зробити паралельні борозни для імітації посівної за допомогою комерційної міжрядної сівалки. Борозни були глибиною від 2 до 2,5 см по центру міжрядь цукрових буряків. Насіння покривних культур розподілялося рівномірно по борознах вручну. Потім борозни засипалися ґрунтом. Той самий прийом посіву застосовувався як для раннього, так і для пізнього періодів міжрядного посіву покривних культур.

Боротьба з бур’янами, хворобами та шкідниками

Для боротьби з бур'янами починаючи з третього тижня по другий тиждень липня (Таблиця 3) цукрові буряки щотижня обприскувалися гліфосатом (н-фосфонометилгліцин) із розрахунку 0,74 кг діючої речовини/га^-1 (рецептура 25 мл/л^-1) та сульфат амонієм (Class Act, Winfield Solutions, LLC Shoreview, MN) по 10 мл/л^-1. Подібним чином для контролю плямистості листя церкоспори (Cercospora beticola) у цукрових буряків у перший та другий тиждень серпня застосовувалися фунгіциди тіофанат метил та піраклостробін із розрахунку 512 мл/л^-1, 555 мл/л^-1 та 730 мл/л^-1 відповідно для обох років (Таблиця 3).

Таблиця 3. Графік проведення польових робіт та час відбору проб ґрунту та рослин у кожен вегетаційний період

*DAP — днів після посівної цукрових буряків.