За матеріалами статті на тему «Вплив зрошення та удобрювання на врожайність та якість цукрових буряків (Beta vulgaris L.) у помірному кліматі» («Impact of Irrigation and Fertigation on the Yield and Quality of Sugar Beet (Beta vulgaris L.) in a Moderate Climate») міжнародного рецензованого наукового журналу «Агрономія» («Agronomy»), 23 січня 2020 р.

Цукровий буряк — рослина з підвищеними потребами у воді через тривалий вегетаційний період та високу потенціальну врожайність. Повноцінне використання його потенціалу врожайності, а також застосованих агротехнічних прийомів, включаючи внесення азоту, залежать від багатьох факторів, наприклад, генетичного різноманіття гібридів (приблизно 50% приросту врожайності та якості цукрових буряків було досягнуто за рахунок розвитку селекції), та здатності культурних сортів пристосовуватися до окремого середовища, але це найбільше залежить від типу ґрунту чи географічного місця розташування і, перш за все, від наявності води в період високої потреби рослин. Ця доступність води для рослин залежить від опадів та їх поширення протягом вегетаційного періоду, або у випадку їх нестачі, вона залежить від застосування зрошення, якщо це можливо.

У Польщі в умовах помірного клімату середня кількість опадів під час вегетаційного періоду коливається в межах 350-400 мм, однак вони характеризуються значною мінливістю та нерівномірністю. Тому зрошення цукрових буряків носить додатковий, позаплановий характер і застосовується лише під час посушливих періодів, частота яких становить приблизно 30%.  Проведені дослідження показали, що цукровий буряк реагує на дощування збільшенням врожайності, але зменшенням вмісту цукру. Збільшення врожайності залежало від кількості та розподілу опадів, а також властивостей ґрунту. Найбільший приріст врожайності показали багаторічні дослідження, проведені на дуже легкому ґрунті поблизу польського містечка Бидгощ. Цей приріст у середньому складав 19,8 т · га^-1, а в дуже посушливі роки — 37,7 т · га^-1. Останніми роками в Польщі не проводили жодних експериментів зі зрошення цукрових буряків. Завдяки значному селекційному прогресу та агротехнічному розвитку врожайність цукрових буряків майже вдвічі збільшилася, порівняно з 1980 та 1990 роками, що збільшує необхідність відновлення досліджень з оптимізації споживання води нових, більш продуктивних культурних сортів в умовах удосконаленої та ефективнішої практики ведення сільського господарства.

У посушливих та напівпосушливих зонах зрошення є основним агрономічним прийомом у виробництві цукрових буряків; тому безліч наукових досліджень зосереджуються на впровадженні нових зрошувальних систем водо- та енергозбереження та отриманні більш точних графіків поливу та методів контролю. Деякі вчені стверджують, що цукровий буряк — польова культура, яка добре пристосована до умов недостатнього поливу. Однак результати багатьох досліджень показують втрати врожайності в умовах дефіциту води та важливість зрошення для всіх кількісних та якісних характеристик цукрових буряків. Зі збільшенням подачі води врожайність та вихід цукру збільшувалися, тоді як вміст цукру зменшувався. Найвищі врожайність та вихід білого цукру були отримані шляхом постійного зрошення із середніми показниками 54,235 т · га^-1 та 7,803 т · га^-1 відповідно, порівняно зі зрошенням 65% від загальної потреби у воді (30,588 т · га^-1 та 4,635 т · га^-1 відповідно). Проведені дослідження показали, що режими зрошення мали суттєвий вплив на вихід цукру з буряків та його якість. Оптимальний вміст ґрунтової води для максимальної врожайності та якості кореня становив 70% від польової вологоємності. Вчені вказували на те, що недостатнє зрошення значно зменшує врожайність, масу кореня, гички та загальний вихід цукру в напівпосушливих зонах та прохолодних кліматичних умовах. Також було виявлено, що через збільшення дефіциту води в напівпосушливих умовах врожайність буряків та вихід білого цукру значно зменшилися. Експериментальне впровадження 16%-го зменшення подачі води, яке застосовувалося для цукрових буряків, вирощених у тепличних умовах, означає, що зменшення опадів влітку матиме значний вплив на вологість ґрунту (зменшення на 12%; p < 0,05) та врожайність буряків (-11%; р < 0,05).

Окрім водного режиму, ще один фактор відіграє важливу роль у формуванні врожайності цукрових буряків. Правильне внесення азоту має важливе значення для високої врожайності та виходу цукру, але його надлишок впливає на чистоту соку та екстрактивність цукру. У Польщі вивчався вплив різних рівнів внесення азоту на цукрові буряки, вирощені на різних ґрунтах. Дослідники заявили, що на файоземах підживлення азотом при нормі 120 кг N · га^-1 дозволило збільшити врожайність буряків на 15,1 т · га^-1 (28,3%), а вихід цукру — на 2,4 т · га^-1 (27,2%). Середня маса кореня була найбільшою при нормі 120 кг N · га^-1, незважаючи на те, що кінцева густота рослинного покриву була найвищою при нормі азоту 60 кг N · га^-1. Також було визначено вплив модифікованої системи підживлення цукрових буряків на вміст сахарози та вихід цукру на лювісолях у південно-східній частині країни. На ділянці з модифікованою системою підживлення було отримано кращі технологічні властивості (менші дози азоту, 120 кг N · га^-1; підживлення мікроелементами; підбір доз добрив на основі аналізів ґрунту). Крім цього, було досліджено вплив внесення азоту та дощування цукрових буряків, вирощених на лювісолях у центрально-північній частині Польщі. Між двома досліджуваними факторами зрошення мало більший вплив на врожайність, ніж азот. Залежно від дози добрив, зрошення збільшило урожайність з 15,1 до 18,4 т · га^-1, порівняно з контролем. Найбільша різниця у врожайності, викликана зрошенням, була виявлена в посушливі роки, коли приріст врожайності складав від 24,4 т · га^-1 при нормі азоту 90 кг N · га^-1 до 28,6 т · га^-1 при нормі азоту 150 кг N · га^-1. Більша доза азоту не мала суттєвого впливу на врожайність в контрольних умовах, але при зрошенні норма азоту 150 кг N · га^-1 викликала збільшення врожайності на 2,5 т · га^-1, порівняно з 90 кг N · га^-1. 

Із 1980 по 1988 рік у помірних кліматичних умовах Північно-Західної Німеччини цукровий буряк вирощували на лювісолях. Рівень внесення азоту коливався від 2 кг N · га^-1 до 211 кг N · га^-1. Урожайність, вміст сахарози та вихід білого цукру збільшувалися зі збільшенням внесення азоту та досягали максимальних значень — 159, 136 та 129 кг N · га^-1 відповідно. Урожайність не змінилася або лише незначно зменшилася, тоді як вміст сахарози та вихід білого цукру зменшились із рівнями азоту, які перевищили оптимальні норми. Концентрація цукру зменшувалася зі збільшенням подачі азоту; вона була найвищою при 32 кг N · га^-1 і незначно зменшилася при меншій подачі азоту. Вихід білого цукру мав широкий оптимум і зменшився лише на 2% від максимального значення при нормі азоту приблизно 100 кг N · га-¹.

Польща є третім за величиною виробником цукрових буряків в ЄС після Франції та Німеччини з річним виробництвом цукру 2,3 млн т та 18 діючими заводами. У 2004-2018 роках у Польщі цукровими буряками засівалася площа близько 223 327 га (Графік S1a). За вказаний період середня врожайність становила  54,4 т · га^-1, але коливалася від 41,6 т · га^-1 у 2004 році до 68,3 т · га^-1 у 2014 році (Графік S1b), що може бути наслідком розвитку селекції, адаптації сортів до умов навколишнього середовища або зрошення, використовуваного у сільськогосподарському виробництві. У Польщі середня врожайність цукрових буряків коливається з року у рік; наприклад, під час посушливого вегетаційного періоду 2018 року середня врожайність цукрових буряків склала 59,9 т · га^-1 — 88,2% від урожайності 2017 року (Графік S1b), але вона була вищою на 5,46 т · га^-1 (9,1%), порівняно з середньою врожайністю за 2004-2018 роки (54,4 т · га^-1). Другим найбільшим регіоном-виробником цукрових буряків в країні є Куявсько-Поморське воєводство, розташоване в північно-центральному регіоні Польщі (Графік 1). У 2011-2017 роках тут цукровими буряками щорічно засівалася площа близько 40 тис. га, що становить 19,5% від загальної посівної площі.

Загальною особливістю режиму опадів у Польщі є переважання опадів під час теплого півріччя над холодним півріччям. У Куявсько-Поморському воєводстві випадає найменша кількість опадів у Польщі, тобто близько 500 мм в середньому за рік та 350 мм під час вегетаційного періоду з квітня по вересень. Ще однією особливістю цього регіону є часті та тривалі посушливі періоди — в середньому 22 дні, максимальні досягають, навіть, 38 днів.

Навіть у вегетаційні періоди, коли погодні умови сприятливі для виробництва цукрових буряків, може виникати дефіцит води через високі значення температури повітря, дефіцит вологи та, як наслідок, інтенсивну евапотранспірацію в літні місяці. Отже, скорочення врожайності відбувається через дефіцит води, особливо на легких ґрунтах. Прогнозовані кліматичні зміни можуть посилити цей вплив у майбутньому. За кліматичними прогнозами, очікується збільшення частоти екстремальних погодних умов та, отже, виникнення дефіциту опадів. В останні роки в Польщі дедалі частіше спостерігаються посухи, що особливо стосується підвищення температури повітря. Хоча щорічна кількість опадів незначно змінюється (помітне, але не значне збільшення), істотні зміни спостерігаються в сезонних та щомісячних опадах. Без належного зрошення врожайність цукрових буряків може коливатися від сезону до сезону, що спричиняє труднощі у виробників цукру з плануванням переробки, а також фінансовий тиск на фермерів. Зрошення гарантує стабільність і пом’якшує проблеми з виникненням посушливих періодів, викликаних кліматичними змінами, оскільки таким чином можна максимально збільшувати врожайність та вміст цукру, а також досягати стабільно високої врожайності з року в рік. Тому метою даного дослідження було визначити вплив дощування та збільшення внесення азоту на врожайність та якість цукрових буряків та вихід білого цукру. Наукова гіпотеза передбачала збільшення ефективності та покращення якості врожайності цукрових буряків в умовах зрошення та збільшення норми внесення азоту.

Результати

Стан ґрунтової води в період значних потреб цукрових буряків у воді

На Графіку 3 показано, що зрошення запобігало вичерпанню легкодоступної для рослин води в кореневій зоні в період їх значних потреб у воді (з 16 червня по 10 вересня) кожного вегетаційного періоду. На зрошуваних ділянках кількість води в кореневій зоні буряків зберігалася протягом періоду росту рослин у легкодоступних для рослин межах — на глибині 0-40 мм. Винятки становили поодинокі дні на початку серпня 2018 року, оскільки цей вегетаційний сезон виявився дуже посушливим (Графік 3с).

Протягом вегетаційного періоду 2016 року (Графік 3а) не було періодів із вичерпанням легкодоступної води (RAW) на незрошуваних ділянках буряків. У 2017 році (Графік 3b) вичерпання легкодоступної води (RAW) відбулося між 6 та 10 липня, тоді як у вегетаційний період 2018 року було зареєстровано довготривалі посушливі періоди без опадів, у результаті чого рослини вирощувалися на незрошуваних ділянках (W0) в умовах дефіциту легкодоступної води (водний стрес). Дефіцити виникали з 16 по 23 червня та з 30 червня по 10 липня та з з 6 серпня до кінця періоду значних потреб у воді дуже короткими інтервалами.

Графік 3. Баланс легкодоступної води цукрових буряків. Коренева зона у вегетаційні періоди: (a) 2016, (b) 2017 та (c) 2018 рік; W0 — без зрошення, W1 — зрошення.

Урожайність цукрових буряків під впливом дощування

У результаті експерименту середня врожайність цукрових буряків склала 88,3 т · га^-1, коливаючись від 48,5 т · га^-1 на ділянках, які не зрошувалися та підживлювалися меншою нормою азоту (W0N1) у посушливий рік, до 120,8 т · га^-1 на зрошуваних ділянках із більшою нормою азоту (W1N2) у рік із загальною кількістю опадів, яка повністю покривала потреби рослин у воді (Таблиця 2). Найбільшу врожайність було отримано в 2016 році, коли надлишок опадів протягом вегетаційного періоду склав 24 мм. У вегетаційний період 2017 року, який характеризувався надмірними опадами в період підвищених потреб рослин у воді на рівні +76 мм, було зафіксовано незначне скорочення врожайності. Однак найменшу врожайність було отримано в посушливий сезон 2018 року, коли дефіцит опадів становив -79 мм.

Таблиця 2. Урожайність цукрових буряків під впливом досліджуваних факторів: водного режиму (W) та підживлення азотом (N) (t · га^-1); W0 — без зрошення, W1 — оптимальне дощування, N1 — передпосівне внесення 160 кг N · га^-1, N2 — передпосівне внесення 160 кг N · га^-1 плюс після посівне внесення 40 кг N · гa^-1, I — взаємодія між факторами, NS — незначна.

Полив викликав значні зміни в урожайності цукрових буряків. Середній приріст врожайності під час зрошення склав 18,1 т · га^-1, що означало збільшення врожайності на 22,8%. Ефективність використання води (WUE) склала 175 кг · га^-1 · мм^-1. Ефективність зрошення залежала від водного режиму під час значної потреби цукрових буряків у воді. У 2018 році, коли було зареєстровано значний дефіцит опадів, збільшення врожайності зрошуваних рослин, безумовно, було найбільшим — 72,1%, порівняно з незрошуваними рослинами. У 2016 році, коли було зареєстровано незначний надлишок опадів, порівняно з потребами цукрових буряків у воді, приріст врожайності в умовах зрошення склав 7,3%, тоді як у 2017 році з високим загальним рівнем опадів, коли потреби рослин у воді були високими, врожайність зрошуваних рослин по відношенню до незрошуваних майже не відрізнялася. Ефективність зрошення при різних нормах внесення азотних добрив суттєво не відрізнялася.

Урожайність цукрових буряків під впливом збільшення норми внесення азотних добрив

В умовах збільшення норми внесення азотних добрив (N2) урожайність буряків була значно більшою, порівняно з контролем (N1), в середньому на 7,6 т · га^-1 (9%) (Таблиця 3). Реакція цукрових буряків на збільшення норми азотних добрив виражена врожайністю, яка суттєво не відрізнялася від середньої як в умовах зрошення, так і без нього.

Таблиця 3. Вміст цукру в буряках під впливом досліджуваних факторів (%): W0 — без зрошення, W1 — оптимальне дощування, N1 — передпосівне внесення 160 кг N · га^-1, N2 — передпосівне внесення 160 кг N · га^-1 плюс після посівне внесення 40 кг N · гa^-1, I - взаємодія між факторами, NS — незначна.

Питома витрата води на одиницю продукції

На Графіку 4 показана значна залежність урожайності цукрових буряків від водного режиму під час вегетаційного періоду (квітень-вересень). Відповідно до формул на Графіку 4, можна стверджувати, що максимальна врожайність буряків при нормі внесення азоту N1 була зафіксована при загальній кількості опадів та зрошення 382 мм, порівняно з 367 мм при нормі азоту N2. Ці значення можна вважати приблизною потребою в опадах цукрових буряків, вирощених на легких ґрунтах у помірних кліматичних умовах.

Графік 5. Вплив зрошення та різних норм внесення азотних добрив на вихід цукру (т · га^-1) (середнє значення за 2016-2018 роки)

Вихід цукру під впливом досліджуваних факторів

За даними Таблиці 3, зрошення не значно знизило вміст цукру в коренях цукрових буряків; зовсім навпаки, спостерігалася помітна тенденція до збільшення вмісту цукру в зрошуваних рослинах. Крім того, вміст цукру не суттєво залежав від рівня внесеного азоту під час зрошення. Однак спостерігалася тенденція до зниження вмісту цукру в коренях рослин, підживлених більшою нормою азоту (N2). Вміст цукру коливався протягом усіх років експерименту. Значно вищий вміст цукру було виявлено в коренях, зібраних після посушливого вегетаційного періоду 2018 року (вміст цукру в середньому склав 18,4%), порівняно з сезонами 2016 та 2017 років (середній вміст становив 16,6%), коли кількість опадів перевищила потреби цукрових буряків у воді.

Аналіз виходу цукру є похідним аналізу врожайності. Тому між експериментальними факторами W і N не було виявлено істотної взаємодії (Графік 5). Під час зрошення при рівнях азотних добрив N1 та N2 приріст врожайності був однаковим; він складав 3,77 т · га^-1 та 3,87 т · га^-1 відповідно. Порівняно з N1, застосування норми азоту N2 призвело до збільшення виходу цукру на 0,98 т · га^-1 (6,7%) як зрошуваних, так і незрошуваних рослин.

Обговорення

За даними чисельних досліджень, що стосуються зрошення культурних рослин, включаючи цукровий буряк, полив сприяє «правильним» темпам росту та розвитку рослин, а також інтенсифікації їх фізіологічних процесів. У результаті, це призводить до збільшення врожайності та її стабільності, а також позитивно впливає на якість цукрових буряків. Абсолютні, відносні та одиничні середні показники збільшення врожайності буряків, отримані під впливом дощування, та відсутність значної різниці у вмісті цукру в коренях підтверджують це.

Урожайність буряків та вміст цукру під впливом дощування

В умовах помірного клімату в районі польського містечка Бидгощ зрошення цукрових буряків викликало значні відмінності в їх урожайності. Під час зрошення середній приріст врожайності становив 18,1 т · га^-1, що означало збільшення врожайності на 22,8%. Крім того, спостерігалася помітна тенденція до збільшення вмісту цукру в коренях зрошуваних рослин. З іншого боку, в посушливому регіоні було виявлено, що зрошення призвело до збільшення чистого виходу цукру за рахунок збільшення врожайності буряків. Однак вміст цукру в коренях зменшився. Вчені наголосили, що як дефіцит, так і надлишок зрошення негативно впливають на ріст сільськогосподарських культур. Вказувалося, що зрошення слід проводити таким чином, щоб забезпечити оптимальну кількість води протягом вегетаційного періоду залежно від типу ґрунту та кліматичних умов. Було виявлено позитивний вплив дефіциту зрошення на збільшення вмісту цукру в буряках. Під час зрошення вміст цукру складав від 16,16% до 17,51%. Тобто, вчені виявили, що зі збільшенням дефіциту води вміст цукру також збільшувався. Результати проведених досліджень показали, що зі збільшенням водного стресу цукрових буряків, який стосується дефіциту води, вміст цукру збільшується.

Урожайність буряків та вміст цукру під впливом збільшення норми внесення азотних добрив

Отримані результати виявили, що підвищення норми азотних добрив (N) значно вплинуло на врожайність буряків. Збільшення маси кореня в основному пояснювалося роллю азоту, який стимулює меристематичну активність росту, що сприяє збільшенню кількості клітин на додаток до їх росту. В Іспанії було виявлено, що реакція виходу цукру на норми азотних добрив залежить від азоту, наявного в ґрунті. Вони також встановили, що оптимальну врожайність в ґрунті з низьким вмістом азоту N було отримано із застосуванням 160 кг N · га^-1. У США було зафіксовано, що застосування різних норм азоту (26, 134 та 220 фунтів · акр^-1) призвело до несуттєвих відмінностей у вмісті цукру (%) та виході цукру. В Індії було виявлено, що застосування азоту в нормі 150 кг N · га^-1 призвело до найбільшої врожайності та виходу цукру з гектару, тоді як найвищі значення концентрації цукру були зафіксовані при внесенні 120 кг N · га^-1. Віден констатував, що зниження вмісту цукру відбувається зі зменшенням внесення азоту за рахунок більшого накопичення води в корені.

Питома витрата води на одиницю продукції

Максимальна врожайність на рівні внесення азоту N1 була зафіксована при загальній кількості опадів та зрошення 382 мм, порівняно з 367 мм під час внесення азотних добрив (N2). Результати показують великий потенціал для збільшення виробництва цукрових буряків за умови оптимізації водного фактору. Середнє збільшення врожайності буряків на 18,1 т · га^-1 (22,8%) та виходу цукру на 3,82 т · га^-1 (28,7%) було отримано в трирічному експерименті (2016–2018 роки), коли умови опадів були більш сприятливими, порівняно зі звітним періодом 1981-2010 років. Було виявлено значну квадратичну залежність між врожайністю буряків та водним режимом. Скорочення врожайності та розрахункових показників виходу цукру відбувається після того, як обсяг поданої води досягає 598 мм та 605 мм відповідно. Ці результати ґрунтувалися на експерименті, проведеному на мулистих суглинкових ґрунтах. Припускається, що результати можуть бути різними на піщаних та неглибоких ґрунтах.