За матеріалами статті на тему «Вплив систем обробітку ґрунту на витрати енергії та енергоефективність цукрових буряків та сої в умовах паннонського клімату» («Effect of tillage systems on energy input and energy efficiency for sugar beet and soybean under Pannonian climate conditions») журналу «Рослини, ґрунт та довкілля» («Plant, Soil and Environment») 67, 2021 р.

Обробіток ґрунту є одним із найбільших споживачів енергії та потребує застосування робочої сили в орному землеробстві. У звичайних системах обробітку ґрунту більше 50% загального споживання палива зазвичай припадає на передпосівну підготовку ґрунту та саму посівну. Однак економія енергії при мінімальному та нульовому обробітку ґрунту часто компенсується вищими потребами в енергії для гербіцидів та азотних добрив у системах захисного обробітку ґрунту. Сівозміна та спосіб обробітку ґрунту можуть бути однаково важливими для визначення енергоефективності системи землеробства. Проведені дослідження показали, що в системі органічного землеробства рівень енергоспоживання на 50% нижчий, ніж при звичайному обробітку ґрунту. Ефективність використання енергії збільшується із врожайністю сільськогосподарських культур і може бути покращена за допомогою раціонального внесення поживних речовин, тобто добрив. Вчені виявили, що сівозміна має значно більший вплив на врожайність та енергоефективність, ніж обробіток ґрунту.

Кліматично-ґрунтові умови визначають вплив системи обробітку ґрунту на врожайність. Світовий мета-аналіз 2015 року показав, що у вологому кліматі відсутність обробітку ґрунту знижує врожайність, порівняно зі звичайним обробітком ґрунту. Однак у регіонах із посушливими кліматичними умовами на ділянках із нульовим обробітком ґрунту (No-Till, NT) урожайність може бути рівноцінною або навіть вищою, порівняно зі звичайною обробкою ґрунту. Це говорить про те, що система нульового обробітку ґрунту може стати важливою стратегією адаптації до глобальних змін клімату в більш посушливих регіонах світу. Для розробки енергоефективних систем землеробства для Паннонського басейну бракує детальної інформації про енергоспоживання та ефективність різних систем обробітку ґрунту для вирощування цукрових буряків (Beta vulgaris). У Паннонському басейні з напівпосушливими кліматичними умовами було проведено довготривалий польовий експеримент для визначення впливу чотирьох систем обробітку ґрунту на виробництво цукрових буряків. Загальною метою дослідження було проаналізувати врожайність коренеплодів та пов'язані з енергоефективністю параметри виходу енергії, енергоємності, чистої енергії та енергоспоживання цукрових буряків. Існує гіпотеза, що системи безорного обробітку ґрунту потребують менше енергії та мають вищу енергоефективність на відміну від орного землеробства.

Матеріали та методи

Експериментальна ділянка та кліматичні дані. Експеримент проводився на експериментальній станції Віденського університету природних ресурсів та прикладних природничих наук (BOKU) в м. Раасдорф.  Поле розташоване на краю рівнини Мархфельд, яка є важливим рослинним регіоном у північно-західній частині Паннонського басейну. Мулистий суглинковий ґрунт (pH_CaCl2: 7,6; органічний вуглець в ґрунті: 23 г/кг) класифікується як вапняний чорнозем алювіального походження. Середньорічна температура повітря становить 10,8°C, середньорічна кількість опадів — 568 мм (1995-2018 рр.). Довгострокові дані опадів показують найбільшу їх кількість із травня по вересень, місячні значення перевищують 63 мм, а найбільша кількість опадів — у липні (76 мм). Довгострокові середні температури, кількість опадів та річні значення протягом вегетаційного періоду цукрових буряків (із квітня по жовтень) наведені в Таблиці 1. Вегетаційні періоди 2010, 2014, 2016 та 2018 років були вологішими середніх значень, тоді як вегетаційний період 2011 року виявився дуже посушливим.

Таблиця 1. Середня температура та опади протягом вегетаційних періодів та повних років

* Період із квітня (посівна) до жовтня (збирання врожаю) для цукрових буряків.

План експеримену. Експеримент був розпочатий у серпні 1996 р. за проектом роздільної ділянки з обробітком ґрунту в якості основного фактору ділянки та сівозміною як субфактором ділянки. Обробіток ґрунту включав оранку із застосуванням відвального плугу (MP), глибокий захисний обробіток ґрунту (CT_d), неглибокий захисний обробіток ґрунту (CT_s) та нульовий обробіток ґрунту (NT). Розмір ділянки для обробітку ґрунту дозволяв працювати зі звичайною сільськогосподарською технікою (1-а копія: 60 × 24 м, 2-4-а копії: 40 × 24 м). Послідовність операцій з обробітку ґрунту наведена в Таблиці 2. Технічна робоча ширина відвального плуга з чотирма боронами становила 1,7 м, а іншого обладнання (культиватор зі стрілоподібною лапою, підґрунтовий розпушувач) 3,0 м відповідно. Культиватор зі стрілоподібною лапою мав сім зубців на двох брусах із відстанню між зубцями 84 см та довжиною лінії 42 см. Три фрезерні культиватори для подрібнення грудок та клиновидно-кільчастий каток для подрібнення грудок та регулювання глибини були встановлені за грабельними брусами. Підґрунтовий розпушувач мав чотири нерухомі зубці (відстань між зубцями 75 см) з крилами (шириною 34 см) внизу та роликову борону для регулювання глибини. Щорічні норми посіву, внесення добрив та хімічних засобів захисту рослин (гербіцидів та фунгіцидів) протягом періоду 2005-2018 рр. були незмінними. Посівна виконувалася за допомогою шестирядної пневматичної сівалки точного висіву на відстані 50 см у рядку. Цукрові буряки висівалися на початку квітня з нормою висіву 100 тис. шт./га (2,5 кг/га). Азотні добрива (46% N) вносили з розрахунку 97 кг N/га безпосередньо перед посівною. На всіх ділянках цукрові буряки тричі обприскували проти однодольних та широколистих бур'янів — в кінці квітня, в середині травня та в кінці травня, фенмедифамом (375 г/га діючої речовини), десмедифамом (75 г/га) та етофумезатом (775 г/га). Проводилося три фунгіцидні обробки посівів (загальна норма внесення: піраклостробіну 133 г/га; епоксиконазолу 50 г/га; азоксистробіну 250 г/га; дифеноконазолу 100 г/га; фенпропідину 375 г/га) проти церкоспорозу (Cercospora beticola) та рамуляріозу (Ramularia beticola) — в кінці червня, в середині липня та в кінці липня. У систему нульового обробітку ґрунту (No-Till, NT) неселективний гербіцид гліфосат (1 575 г/га) застосовувався додатково за два тижні до посівної. Збирання врожаю проводилося наприкінці жовтня.

Таблиця 2. Системи обробітку ґрунту із обладнанням та робочими глибинами (в дужках)

Витрати палива. Витрати палива на оранку, підґрунтове розпушування, культивацію та посівну визначалися за допомогою високопродуктивного витратоміра (PLU 116H; AVL®, Грац, Австрія) в паливній системі трактора. Вимірювання витрат палива для оранки, підґрунтового розпушування та культивації (глибокої, неглибокої) виконувалися на повнопривідному тракторі потужністю 92 кВт (Steyr 9125, Св. Валентин, Австрія). Вимірювання витрат палива для точного висіву було проведено на повнопривідному тракторі потужністю 59 кВт (Steyr 8090, Св. Валентин, Австрія). Під час усіх цих операцій ґрунт був сухим. Вимірювані дані витрат дизельного палива, які вважалися однаковими протягом усіх шести років (Таблиця 1), використовувалися для розрахунку параметру прямих витрат енергії, який визначається споживанням палива та мастила (Таблиця 3). Припущення про однакові дані обґрунтовується тим фактом, що протягом шести років процеси обробітку ґрунту виконувалися на одній і тій же машині (трактор та інвентар) на однаковій робочій глибині та завжди в умовах сухого ґрунту. Що стосується витрат палива під час первинної обробки ґрунту, різниця між обладнанням була досить великою, тоді як різниця між роками — незначною. Для перевезення зібраного врожаю витрати палива розраховувалися з коефіцієнтом питомої витрати палива 0,09 л пального на тонну врожаю та кілометр згідно з ÖKL (2019). Передбачалася відстань 5 км для перевезення врожаю трактором із причепом. 2% витрат палива стосувалися мастила для двигунів.

Таблиця 3. Визначення параметрів енергоефективності

*Витрати енергії для переробки, зберігання та реалізації насіння.

Енергоефективність та енергетичні еквіваленти. Енергоємність зібраних цукрових буряків була встановлена на рівні 16,8 МДж/кг. Урожайність цукрових буряків показана в масі свіжої продукції із середнім вмістом вологи 75%. Розрахунок енергетичного еквівалента енергії сільськогосподарських машин проводився в різних системах обробітку ґрунту на 100 га орної землі в умовах Австрії. Для цього розрахунку враховувалися технічні та економічні терміни експлуатації техніки: 10 тис. год для трактора, 3 тис. год для бурякозбирального комбайна, 2-3 тис. га для іншого обладнання. Кількість використаних виробничих потужностей помножувалася на енергетичні еквіваленти (Таблиця 4).

Таблиця 4. Енергетичні еквіваленти виробничих потужностей

Статистичний аналіз. Всі аналізи проводились із використанням IPM ® SPSS ® Statistics 21 (Нью-Йорк, США). Вимоги до дисперсійного аналізу (ANOVA) перевірялися за допомогою критерію Левена на однорідність дисперсій та критерію Шапіро-Вілка для нормального розподілу рештків рослин. Двофакторний дисперсійний аналіз ANOVA проводився для врожайності буряків, виходу енергії, чистого виходу енергії, енергоємності, ефективності використання енергії для визначення впливу року та способу обробітку ґрунту за допомогою загальної лінійної моделі (GLM). Кожен рік аналізувався для виявлення впливу способу обробітку ґрунту за допомогою однофакторного аналізу ANOVA. Критерій множинного порівняння визначався за тестом Стьюдента-Ньюмана-Кейлса (Р < 0,05).

Результати

Загальні витрати палива. Цукрові буряки потребують багато палива для передпосівної підготовки ґрунту, обприскування гербіцидами, збирання та транспортування, а також необхідне паливо для розкидання добрив та обприскування фунгіцидами (Таблиця 5). Загальні витрати палива були найвищими під час обробки ґрунту з використанням відвального плугому (MP) та глибокої захисної обробки (CT_d), а найнижчими — під час нульового обробітку (No-Till, NT), тоді як під час неглибокої захисної обробки (CT_s) витрати палива показали проміжні результати. Порівнюючи застосування відвального плугу (MP) та глибокої захисної обробки ґрунту (CT_d), заміна плуга підґрунтовим розпушувачем та культиватором зі стрілоподібною лапою під час глибокої захисної обробки (CT_d) не допомогло зменшити витрати палива. Основні відмінності між системами землеробства випливають із витрат палива на обробки ґрунту та проведення посівної, які становили 35,1 л/га для відвального плугу та глибокої захисної обробки та 23 л/га для неглибокої захисної обробки. Під час посівної в системі No-Till витрати палива становили 2,1 л/га. Посівна була єдиною операцією, коли нульовий обробіток мав дещо більші витрати палива, порівняно з іншими системами землеробства. Крім того, No-Till вимагав більше палива для обприскування гербіцидами. Неглибокий захисний обробіток ґрунту (CT_s) за допомогою культиватора зі стрілоподібною лапою зменшив загальні витрати палива на 12,1 л/га (9%) — до 121,0 л/га. Найменші витрати палива були зафіксовані в системі нульового обробітку ґрунту (No-Till, NT) — 102,2 л/га, що на 24% менше, ніж під час використання відвального плугу (MP) та глибокої захисної обробки (CT_d).

Таблиця 5. Витрати дизельного палива (л/га) для вирощування цукрових буряків у різних системах обробітку ґрунту

Загальні витрати енергії. Цукрові буряки потребували більших витрат енергії для палива, мастильних матеріалів, добрив та хімічних рослин (Таблиця 6). Загальні витрати енергії були найвищими під час використання відвального плугу (MP) та глибокої захисної обробки ґрунту (CT_d), а найнижчим — у системі No-Till, при цьому неглибокий захисний обробіток (CT_s) показав проміжні значення. Основні відмінності між обробками ґрунту були пов’язані з різницею в прямих витратах енергії (палива та мастила). Система No-Till мала дещо більші витрати енергії під час хімічного захисту рослин. Співвідношення прямої та непрямої енергії (у % : %) складало 43 : 57 (MP та CT_d), 40 : 60 (CT_s) та 35 : 65 (NT) відповідно. Найбільша частка загального енергоспоживання цукрових буряків припадає на паливно-мастильні матеріали (від 35% до 42% від загальних витрат енергії). Добрива також мали високу частку в діапазоні від 38% до 40%. Витрати енергії, що виділялася на техніку, становили від 14% до 15% загального енергоспоживання. Частка енергії, направленої на хімічний захист рослин, становила 3% для MP, CT_d, CT_s та 10% для NT відповідно.

Таблиця 6. Прямі та непрямі витрати енергії (ГДж/га) для вирощування цукрових буряків у різних системах обробітку ґрунту

Урожайність та вихід енергії. Середні значення врожайності цукрових буряків та виділеної енергії склали 70,3 т/га та 295,2 ГДж/га (Таблиця 7). Не було виявлено жодного зв’язку між способами обробітку ґрунту та роками проведених досліджень. Система обробітку ґрунту не впливала на врожайність буряків та вихід енергії, але було виявлено вплив року. Урожайність буряків та вихід енергії класифікувалися за роками наступним чином: 2005 ≥ 2014 ≥ 2010 та 2011. Діапазон урожайності та виділеної енергії між роками був набагато вищим, ніж між системами обробітку ґрунту: 10,20 т/га проти 5,98 т/га.

Таблиця 7. Середні показники врожайності та енергоефективності цукрових буряків залежно від системи обробітку ґрунту та року

^А Значні відмінності показані для впливу року різними літерами. ^B свіжа маса цукрових буряків.

Енергоефективність. Середнє значення чистого виходу енергії для всіх способів обробітку ґрунту та років склало 283,0 ГДж/га. Не було виявлено взаємодії між способами обробітку ґрунту та роками вирощування цукрових буряків. Середнє значення енергоємності для всіх способів обробітку ґрунту та років становить 0,70 МДж/кг. Середнє значення ефективності використання енергії склало 24,4 ГДж/ГДж. Що стосується врожайності та виділеної енергії, між способами обробітку ґрунту не було жодних відмінностей щодо параметрів енергоефективності, чистого виходу енергії, енергоємності та ефективності використання енергії. Річний вплив параметрів енергоефективності оцінювався так само, як і врожайності та виходу енергії. У системах захисного обробітку ґрунту (CT_d, CT_s та NT) цукрові буряки продемонстрували зниження енергоємності на 6,3% та збільшення ефективності використання енергії на 7,4%, порівняно з обробкою ґрунту з застосуванням відвального плугу (MP). Діапазони параметрів енергоефективності між роками були вищими, ніж між системами обробітку ґрунту. Вони склали 42,8 ГДж/га проти 25,1 ГДж/га для чистого виходу енергії, 0,11 МДж/кг проти 0,06 МДж/кг для енергоємності та 3,6 ГДж/ГДж проти 2,0 ГДж/ГДж для ефективності використання енергії цукрових буряків.

Обговорення

Загальні витрати палива. Цукрові буряки є високотоннажною культурою і потребують збиральної техніки та транспортних систем із високими показниками роботи. У системах обробітку ґрунту витрати палива, засновані на оброблюваних площах, визначаються вибором обладнання. Оранка із використанням відвального плугу залишається широко використовуваним методом обробітку ґрунту в складних умовах Австрії (важкі ґрунти у вологих регіонах). Під час оранки на глибині до 20 см витрати палива складали близько 15 л/га на мулистому суглинкуовому ґрунті та близько 30 л/га на глинистому ґрунті. Зі зменшенням глибини оранки витрати палива також можуть зменшитися. У системі неглибокого захисного обробітку ґрунту (CT_s) та під час нульового обробітку No-Till (NT) витрати палива також можна зменшити. Під час оранки з використанням відвального плугу (MP) та глибокого захисного обробітку ґрунту (CT_d) витрати палива є не однаковими через наявність рослинних залишків. У той час як оранка забезпечує чисту поверхню ґрунту без рослинних рештків, глибока захисна обробка (CT_d) із культиватором зі стрілоподібною лапою та підґрунтовим розпушувачем залишають рослинні залишки на поверхні ґрунту, що може мати екологічні наслідки (наприклад, зменшення ризиків ерозії ґрунту). У системі глибокої захисної обробки ґрунту (CT_d) витрати палива визначаються поєднанням агрегату та робочої глибини. Підґрунтове розпушування (до 35 см) може порушити підороний шар та викликати підґрунтове ущільнення, що може призвести до кращого вкорінення цукрових буряків. Різні агрегати для передпосівної підготовки ґрунту вимагають різної кількості палива. Цукровий буряк вимагає неглибокої передпосівної обробки ґрунту, що можна реалізувати за допомогою вертикально-фрезерного культиватора. Передпосівна підготовка мулистого суглинкового ґрунту, як у даному дослідженні, також може здійснюватися за допомогою зубової борони, яка потребує менше дизельного палива, ніж вертикально-фрезерний культиватор.

Загальні витрати енергії. Лін та ін. вчені (2017) визначили систему з низькими витратами, коли споживана енергія не перевищує рівень 10,0 ГДж/га. Загальні витрати енергії становили від 11,5 ГДж/га до 12,2 ГДж/га вище порогового рівня. На піщаному суглинковому ґрунті також були виявлені невеликі відмінності в енерговитратах між способами обробітку ґрунту. У даному дослідженні ці невеликі відмінності можна пояснити компенсацією менших прямих витрат у системі No-Till більшими непрямими витратами енергії через більш широке використання хімічних засобів захисту рослин, головним чином гліфосату. Заміна ґрунтообробних систем із плугом на необертові ґрунтообробні системи зменшує не тільки прямі витрати енергії, але й робочий час.

Урожайність та вихід енергії. Екологічні фактори (роки та кліматичні умови) мали більший вплив на урожайність та енергоефективність, ніж агротехнічні прийоми. Мінливість врожайності у напівпосушливому регіоні головним чином зумовлена ​​дефіцитом води та тепловим стресом. Значні відмінності в урожайності та енергоефективності в основному зумовлені кліматом, зокрема середньорічними опадами та їх розподілом. Отже, найменша врожайність цукрових буряків спостерігалася у найбільш посушливий рік (2005). У середньому за всі чотири роки досліджень цукрових буряків між різними способами обробітку ґрунту не спостерігалося значних відмінностей у врожайності та енерговитратах. Системи мінімального обробітку ґрунту можуть забезпечити більшу врожайність в посушливих регіонах завдяки кращому збереженню ґрунтової води, тоді як у більш вологих регіонах вони часто викликають скорочення врожайності. У Паннонському басейні з напівпосушливими кліматичними умовами вода є обмежуючим фактором для росту рослин. У системах захисного обробітку ґрунту (CT_d, CT_s, NT) існує потенціал для утримання води в ґрунті. Довгострокові експерименти в безорних системах показують сильну стратифікацію органічного вуглецю в системі No-Till без різниці в загальному запасі вуглецю між нульовим обробітком (NT) та оранкою з використання відвального плугу (MP). Підвищений вміст органічного вуглецю у верхньому шарі ґрунту може бути додатковим поясненням кращого збереження ґрунтової води в системі No-Till. Спостерігалася тенденція до збільшення врожайності цукрових буряків у системах безорного глибокого захисного обробітку ґрунту (CT_d), порівняно з MP, CT_s та NT (не суттєво), ймовірно, через те, що обробка ґрунту на глибині до 35 см із використанням підґрунтового розпушувача сприяла кращому вкоріненню цукрових буряків. У системі оранки з використанням відвального плугу у посушливі роки (2005 та 2011 рр.) скорочення врожайності цукрових буряків можна пояснити більшим втратами води через випаровування з розпушеного ґрунту та можливим обмеженим укоріненням цукрових буряків внаслідок утворення плужної підошви. Вчені виявили збільшення середньої врожайності цукрових буряків на 5-10% після розбиття плужної підошви.

Енергоефективність. Параметри енергоефективності, такі як чистий вихід енергії, енергоємність та ефективність використання енергії, в основному визначаються вихідною енергією, оскільки витрати енергії набагато нижчі. Також у даному експерименті вихід енергії та виробництво цукрових буряків були значно вищими за витрати енергії. Отже, різниця у виході енергії між способами обробітку ґрунту не впливала на параметри енергоефективності. Загальний вплив року на енергоефективність був більшим, ніж системи обробітку ґрунту. Внесення азотних добрив та споживання дизельного палива було визначено найбільш енергоємними витратами. Отже, їх ефективне використання (наприклад, використання правильних азотних добрив у відповідних дозах та збалансування норми підживлення азотом із реальними потребами рослин; мінімальний обробіток ґрунту, як нульовий обробіток No-Till (NT) та неглибока захисна обробка (CT_s)) може бути найкращим способом скорочення енерговитрат та підвищення енергоефективності. Чистий вихід енергії є найважливішим параметром для визначення ефективності систем обробітку ґрунту. З огляду на це, цукровий буряк досягнув найвищого чистого виходу енергії в системі глибокої захисної обробки (CT_d). Крім того, система землеробства впливає на ефективність використання енергії. Вчені повідомляли, що інтегроване сільське господарство може забезпечити на третину вищу ефективність використання енергії, ніж звичайне землеробство, оскільки витрати енергії були меншими, а чистий вихід енергії подібним. Традиційна боротьба з бур’янами за допомогою гербіцидів, а не механічних операцій, може бути варіантом зменшення енерговитрат, особливо, коли потрібно проводити більше одної обробки посівів проти бур’янів. Щодо органічних культур, зазвичай потрібно більше механічної енергії, оскільки застосовується механічна боротьба з бур’янами.