Стартовый фосфор для гибридов кукурузы: необходимость применения

Менеджер по продукту силосная кукуруза компании «Лимагрен» Игорь Харламов рассказал о зарубежном исследовании влияния фосфора на развитие гибридов кукурузы. Авторы на практике доказывают важность баланса в питании культуры. Опыт актуален для гибридов компании «Лимагрен».

Фосфор в начале вегетационного периода: особенности использования

Фосфор (P) — важный элемент для роста и энергии молодых растений. Для их укоренения необходима высокая концентрация Р в почвенном растворе в начале вегетационного периода.

Элемент выполняет множество функций: участвует в формировании клеточных стенок, создании ДНК и РНК, процессе фотосинтеза и переносе энергии. Растения усваивают его из почвы основном в форме фосфата (H₂PO₄⁻ или HPO₄²⁻, в зависимости от pH почвы), который поступает к корням путем диффузии.  

В умеренном климате низкие температуры почвы замедляют этот процесс: вязкость воды увеличивается и тепловое движение фосфатных ионов уменьшается (Kovar & Claassen, 2005; Ylivainio & Peltovuori, 2012). Также низкие температуры могут снизить микробную активность и препятствовать высвобождению фосфата из органических материалов (Gahoonia & Nielsen, 2003). В результате даже при высоком содержании фосфора в почве растения могут испытывать его нехватку.  

Чтобы избежать этого, фермеры в прохладных регионах нередко используют минеральные стартовые удобрения P. Они повышают концентрацию фосфата в почвенном растворе, обеспечивают молодые растения доступным фосфором (Bittman et al., 2006; Preston et al., 2019).

Стартовое удобрение представляет собой небольшое количество растворимого P. Его применяют при посеве вблизи семян, чтобы улучшить рост молодых растений (Preston et al., 2019). 

Однако избыточное внесение фосфора может спровоцировать накопление элемента в почве, что увеличивает риск его потери и снижает экономическую эффективность для фермеров (Messiga et al., 2020).  

В некоторых регионах Канады за последние десятилетия уровень накопленного фосфора достиг экологически тревожных значений. Согласно исследованию Коваленко и др. (2009), около 89% сельскохозяйственных полей имеют концентрацию P в почвенном анализе (STP) от 100 до 350 мг P/кг извлекаемого P по методу Mehlich-3 (PM3). В региональном масштабе значение считается «высоким или избыточным».

Таким образом, большинство почв имеют более высокие уровни P, чем считается достаточным для роста сельскохозяйственных культур (75 мг P/кг,  Poon & Schmidt, 2010).

Van Bochove et al. (2012) в национальном исследовании также представили данные, которые показывают: 30–75% почв в Британской Колумбии превышают экологический порог 4,0 мг/кг для водоизвлекаемого почвенного P.

Другое национальное исследование, которое использовало кумулятивный баланс фосфора с 1981 по 2011 год в качестве индикатора риска загрязнения воды, выявило проблему: в почвах Британской Колумбии, особенно в долине Фрейзер, накопилось более 600 кг фосфора на гектар (Reid & Schneider, 2019). Основные причины переизбытка: внесение навоза и использование минеральных фосфорных удобрений.  

Такое накопление Р создает угрозу для водных экосистем. Чтобы снизить риски, необходимо усовершенствовать стратегии применения фосфорных удобрений для основных полевых культур с учетом их потребностей на разных этапах роста.  

Эффективность комбинирования стартового фосфора с внесением навоза, как было показано, является переменной и зависит от температуры почвы. Быстрое увеличение концентраций извлекаемого фосфора из полосы оксида железа (с 40 до 100 мг/кг) на поверхности почвы наблюдалось в Пенсильвании после поверхностного внесения навоза крупного рогатого скота (КРС) (Vadas et al., 2007). 

Длительное внесение навоза в песчаную почву в Бразилии увеличило концентрацию извлекаемого фосфора до 300 мг/кг на глубине до 20 см. Такие значения эксперты отметили на участках, получавших год по 180 м³ на га навоза по сравнению с 75 мг/кг — на участках, не получавших навоз из-за насыщения обменных участков на поверхности частиц, что снизило их фосфатную сорбционную способность (Abboud et al., 2018). 

В 2020–2021 годах в долине Фрейзер было проведено исследование для оценки комбинированного воздействия навоза дойного КРС и стартового удобрения P на 11 участках силосной кукурузы (Messiga et al., 2020). Минеральное стартовое удобрение P вносилось полосой при посеве, тогда как навоз вносился сбоку после стадии 6 листьев (V6), чтобы разделить два эффекта на производительность молодых растений на стадии 3 и 6 листьев (V3 и V6). 

Авторы обнаружили, что минеральное стартовое удобрение P оказывало положительное влияние, при внесении в количестве 5–7,5 кг/га. Это значение на 75% меньше местных рекомендаций для стартового удобрения P в 40 кг P/га (Poon & Schmidt, 2010).

В данном исследовании стартовые удобрения вносились при посеве, а навоз (в разных вариантах обработки) — позже, сбоку на стадии V6 кукурузы. 

Важно отметить, что местные фермеры обычно применяют другую практику: сначала вносят навоз ранней весной в начале вегетационного периода, а затем добавляют минеральные стартовые удобрения с фосфором во время посева. Если бы исследование учитывало эти методы фермеров, то помогло бы лучше понять:

· Как внесение молочного навоза КРС при вспашке влияет на рост молодых растений кукурузы урожайность.

· Как весеннее внесение навоза сказывается на концентрации фосфора в почве при низких температурах.

· Как такое внесение навоза взаимодействует с использованием минеральных стартовых удобрений при посеве.

Тем не менее, эти вопросы и эффективность стандартной для региона стратегии не являлись приоритетом исследования Messiga et al., 2020.

Целью работы Messiga et al., 2020 было оценить влияние увеличенных норм внесения стартового удобрения P на:

· урожайность кукурузы на силос сухого вещества (СВ), поглощение P растениями и рост корней (1);

· изменения концентрации фосфата в почве с использованием ионообменных мембран (AEM) в течение вегетационного периода (2). 

Авторы выдвинули две гипотезы:

1. При внесении стартового удобрения P в количестве до 5,0–7,5 кг/га будет наблюдаться увеличение урожайности СВ кукурузы на силос и роста корней. А при увеличении нормы внесения удобрения, такой реакции в начале вегетационного периода на стадиях V3 и V6 и при зрелости не будет.

2. Концентрация фосфата в почвенном растворе в начале вегетационного периода будет увеличиваться с увеличением норм стартового удобрения P.

Материалы и методы исследования

Описание участка

Четыре полевых испытания в 2020 году и еще четыре в 2021 году были проведены в долине Фрейзер на западе Канады. Почвы в этом регионе относятся к порядкам Gleysolic, Brunisolic, Luvisolic и Podzolic в канадской системе классификации почв (Soil Classification Working Group, 1998) или Gleysol, Cambisol, Luvisol и Podzol соответственно в системе классификации ФАО (FAO, 2014). 

Образцы почвы были собраны на глубине от 0 до 30 см перед посевом для характеристики исходных свойств. Десять почвенных кернов, собранных с помощью шнека диаметром 2,5 см, собирали из каждого блока. Далее высушивали на воздухе, просеивали и хранили при комнатной температуре. Первоначальные образцы почвы для физико-химических анализов отправляли в коммерческую лабораторию (A & L Canada Laboratories, Лондон, Онтарио). 

Структура почвы была суглинистой на участках 1, 2, 3, 4, 5 и 7 и супесью — участки 6 и 8. Около 75% почв были умеренно или слабокислыми с показателем pH 5,5–6,5, типичным для почв под системами силосной кукурузы в провинции Британской Колумбии (Messiga et al., 2021). 

STP определяли путем экстракции PM3 (Mehlich, 1984). Затем с помощью индуктивно-связанного плазменно-оптического эмиссионного спектрометра (ICP-OES, серия ICAP 7000, ThermoScientific) установили концентрацию алюминия (Al), железа (Fe), калия (K), магния (Mg), кальция (Ca). Концентрацию фосфора измеряли по методу Olsen P (Olsen et al., 1954), затем с через колориметрический анализ (Murphy & Riley, 1962). 

Восемь выбранных участков представляли собой диапазон концентраций PM3 47–332 мг/кг) и Olsen P 25,5–75,5 мг/кг.

Максимальные и минимальные значения свойств почвы составили:

· Mehlich-3 извлекаемый Al (AlM3): 810–2065 мг/кг;

· Fe (FeM3): 36,7–386 мг/кг;

· K (KM3): 97,5–280 мг/кг;

· Ca (CaM3): 660–1532 мг/кг;

· Mg (MgM3): 114–314 мг/кг;

·емкость катионного обмена (ЕКО): 8,5–14,2 смоль/кг‐¹.

Общий углерод (C): 1,30%–4,55%, общий азот (N): 0,10%–0,36%. Соотношение C:N: 9,4–13,7.

Климат в долине Фрейзер характеризуется как умеренно океанический. Относительно прохладное, сухое лето и теплые, дождливые зимы. Это регион с достаточным уровнем увлажнения, пик 280–350 мм — в ноябре. Средняя температура воздуха колеблется от 3,4˚C в январе до 18,7˚C в августе (30-летнее среднее значение, 1981–2010 гг., Agassiz Climate Daily Almanac–Agassiz CDA station).

Средние температуры воздуха вегетационных сезонов 2020 и 2021 годов с мая по сентябрь были выше 30-летней нормы. В 2020 году май, июль и сентябрь были немного теплее 30-летней нормы, тогда как июнь и август были холоднее. В 2021 году месяцы с июня по август были теплее по сравнению с 30-летней нормой. Период с июня по август вегетационного периода 2021 года были теплее, чем в 2020 году.

Общее количество осадков в вегетационный период 2020 года было близко к 30-летней норме. Осадки неравномерно распределялись в течение вегетационного периода 2020 года, на 10–15% больше осадков выпало в мае и июне по сравнению с 30-летней нормой. 

На вегетационный период 2021 года пришлось на 23,4% меньше осадков, чем 30-летняя норма. Более низкое количество осадков наблюдалось в период с мая по август, в то время как в сентябре выпало более 100% осадков, по соотношению с 30-летней нормой.

Описание эксперимента и обработка результатов

Полевые эксперименты состояли из пяти стартовых норм P (0, 5, 10, 15 и 20 кг P/га в виде тройного суперфосфата). Для опыта участки разделили на 20 делянок 10×5 м.

В день посадки нормы P вносили полосой вручную на 5 см от ряда посева и закапывались на 5 см в глубину, чтобы имитировать механизированное внесение.

Выбранные поля и методы управления являются типичными для стандартных севооборотов кукурузы на силос и травы в провинции Британской Колумбии. Навоз КРС вносился в соответствии с рекомендуемыми провинцией нормами (50 кг P/ га, за исключением участка 7). Его механически добавляли на глубину 30 см, затем почва дисковалась и боронилась на глубину 10 см. Участок 7 являлся контрольным, навоз не вносили.

Общее содержание P в молочном навозе, использованном для экспериментов, варьировалось от 7,6 до 11,1 г P/кг сухого веса, тогда как общее содержание N варьировалось от 0,18 до 0,35% сухого веса. Авторы исследования предположили, что 35% P из навоза было доступно в течение года внесения (Messiga et al., 2020). 

Источник 1 навоза КРС вносился на участки 1, 2, 3 и 5; источник 2 — на участки 4 и 6; источник 3 — на участок 8. Силосная кукуруза была посажена в конце мая — начале июня с плотностью 86 × 103 растений на га с шестью рядами. Интервал 75 см на каждом участке. Стартовое удобрение N (30 кг N/га) в виде мочевины (46% N) вносилось ленточно на 5 см от ряда посева с помощью дискового сошника на глубину 5 см. 

Дополнительно азотное удобрение в виде мочевины было внесено сбоку на стадии V6 для поддержания концентрации N в оставшуюся часть вегетационного периода. Практика соответствует местным рекомендациям 150 кг N/га (включая N навоза).

Послевсходовые гербициды были распылены дважды между стадиями V3 и V6 в соответствии с рекомендациями провинции. Все остальные агрономические приемы выполнялись в соответствии с местными фермерскими практиками.

Почвенные термисторы с тремя температурными датчиками (регистратор данных измерения и контроля, рабочий диапазон от −40 до 70˚C, модель серии CRS 300, Campbell-Scientific) были установлены в разных местах участка в Центре исследований и разработок Агассиса (Agassiz RDC, участок 7). Расположение датчиков — на 10 и 20 см ниже поверхности почвы для регистрации средней, минимальной и максимальной температуры почвы каждые 6 часов в течение вегетационных сезонов 2020 и 2021 годов. Участок использовался, чтобы собрать общие данные об осадках с близлежащих метеостанций и вычислить еженедельное среднее количество осадков для каждого из экспериментальных участков в течение 12 последовательных недель после посадки (WAP).

Урожайность сухого вещества кукурузы и поглощение фосфора

Растения кукурузы были отобраны на стадиях V3 и V6 и при зрелости по зигзагообразной схеме из четырех самых внутренних рядов каждого экспериментального участка. Участок 8 не учитывали, поскольку поле было разрушено за несколько дней до сбора урожая. 

Десять молодых и зрелых растений были собраны на высоте 10 см над поверхностью почвы с помощью мачете. Общий свежий вес всех частей выше 10 см, включая стебли, листья, початки и зерна, был зарегистрирован в поле. Затем части были измельчены с помощью измельчителя. Подвыборку около 500 г высушили в печи с принудительной тягой при 60˚C в течение 10 дней и взвесили. 

Урожайность сухого вещества кукурузы (СВ) определялась с использованием уравнений следующим образом:

1. СВ (мг/га) = (Сухой вес / Свежий вес) × Общий свежий вес

2. Общий свежий вес = Свежий вес 10 растений × Количество растений на гектар

Образцы СВ измельчали до фракции 2 мм с помощью шаровой мельницы (Wiley Laboratory Mill Model 4, Thomas Scientific) и анализировали концентрацию фосфора, как описано Kowalenko and Babuin (2014).

0,5 г измельченного образца переваривали в 10 мл концентрированной азотной кислоты с использованием микроволнового дигестора (Mars, Model 6, CEM от One Touch Technology). Концентрации P (Pconc) в дигесторах измеряли с помощью ICP-OES.

Поглощение P кукурузой на каждой стадии рассчитывалось с использованием формулы:

Поглощение P (кг/га) = Концентрация P в биомассе × Вес сухого вещества кукурузы.

Сбор, подготовка и анализ образцов корней

Участок 1 и участок 4 в 2020 году, а также  участки 5 и 6 в 2021 году были выбраны для изучения характеристик корней. Образцы корней были собраны на этапах V3 (июль) и V6 (начало августа 2020 года и середина июля 2021 года). На этапе V3 были взяты растения из самых внутренних рядов (3-й и 4-й), чтобы избежать краевых эффектов.

Все образцы корней выкапывали вручную лопатой вокруг полного диаметра стебля (Mackie-Dawson & Atkinson, 1991). Корни отбирали осторожно, чтобы избежать повреждения. Затем немедленно помещали в маркированные пластиковые пакеты и хранили в холодильниках на льду для транспортировки в Agassiz RDC. Там они хранились при −20˚C.

Размораживали корни при комнатной температуре. Помещали на подносы, промывали три раза водопроводной водой, чтобы отделить их от почвы. Затем корни взвешивали. При этом крупные сначала разрезали на мелкие части и аккуратно распутывали. 

Далее корни сканировались. Оборудование — Expression 11000XL с равномерным разрешением 300 dpi. Область сканирования изображения — 625,8 см², ширина — 21,07 см, высота — 29,69 см. Все изображения корней анализировались с использованием программного обеспечения WinRHIZO Pro 2016a для количественной оценки среднего диаметра корня (мм), общей длины (см), проецируемой площади (см²), площади поверхности (см²) и объема (см³). Затем корни высушивали в печи с принудительной тягой при температуре 60˚C и взвешивали.

Анионообменные мембраны

На всех участках неоднократно устанавливались аниообменные мембраны (АМ) для оценки временной доступности фосфата в растворе в течение раннего вегетационного периода, следуя процедурам, описанным Ши и др. (2016). AM были изготовлены из пропитанных наночастиц оксида железа, содержащих сшитые анион-компрессирующие сополимерные шарики. Сухой вес мембран — 0,76–0,78 г, толщина — 0,6 мм, содержание воды — 42% влажной смолы,  минимальная анионообменная емкость — 2,40 мэкв/г сухой смолы. АМ разрезали до 65 мм × 25 мм. 

AM промывали дистиллированной водой и погружали в 0,5 М HCl для удаления всех примесей, а затем заряжали путем встряхивания в 1 М растворе NaCl в течение 1 ч.

Две AM были вставлены в почву горизонтально на глубину 10 см в центре двух внутренних рядов кукурузы. AM заменялись каждые 7 дней в течение девяти последовательных WAP в 2020 году и 12 WAP в 2021 году. Собранные AM промывали в дистиллированной водой для удаления частиц почвы и другого мусора, помещались в 50-мл пробирки, содержащие 45 мл 1 М раствора NaCl. Далее встряхивали в течение часа с помощью шейкера с переворачиванием при 200 об/мин и фильтровали с помощью бумаги Whatman № 4. Экстракты замораживали до колориметрического анализа на P (Murphy & Riley, 1962).

Фосфат, адсорбированный на AM (АМ-Р), выражается в мкг P/см.

Статистический анализ

Все статистические анализы были выполнены с использованием R версии 4.0.3 (R Core Team, 2019). Перед анализом данные проверили на нормальность с использованием теста Шапиро-Уилка и графиков Q – Q.

Урожайность СВ кукурузы и поглощение P на стадиях V3 и V6 и зрелости проанализированы с помощью линейных моделей смешанных эффектов с использованием пакета lmer (R Core Team, 2019) со стартовым удобрением P в качестве фиксированного фактора. А также блоками в качестве случайного эффекта для каждого участка. 

Общая длина корня, площадь поверхности, средний диаметр, объем и сухой вес на стадиях V3 и V6 в 2020 и 2021 годах были проанализированы с учетом эффектов стартовой нормы P, участка эксперимента, взаимодействия между этими факторами. 

Данные анализировались по каждому участку с использованием двухфакторного дисперсионного анализа со скоростью стартового P в качестве фиксированного эффекта, WAP в качестве повторных эффектов и блока в качестве случайного фактора. Когда тесты Фишера были значимыми, средние наименьшие квадраты вычислялись с использованием пакета emmeans (Lenth et al., 2021). 

Различия между LSM проверялись с использованием тестов Tukey Honest Significant Difference при значении вероятности p < 0,05. Методы нелинейной регрессии применялись для связи поглощения P кукурузой с площадью поверхности корней и объемом корней. Все регрессии оценивались с использованием коэффициента детерминации и проверялись на значимость с использованием пакета nlstools (Baty et al., 2015).

Результаты

Температура почвы в начале вегетационного периода

В среднем температура почвы была теплее в 2021 году по сравнению с вегетационным периодом 2020 года. В течение начала вегетационного периода 2020 года среднемесячная температура почвы составляла: 16,9˚C (0–10 см) и 17,2˚C (0–20 см) — в мае; 19,2˚C (0 −10 см) и 19,4˚C (0–20 см) — в июне. 

Самые высокие среднемесячные температуры почвы на уровне 0–20 см в 2020 году были зафиксированы в августе — 21,7˚C. Среднемесячные температуры почвы в начале вегетационного периода 2021 года составили: 18,5˚C (0–10 см) и 17,7˚C (0–20 см) — в мае; 25,0˚C (0–10 см) и 23,7˚C (0–20 см) — в июне. В вегетационный период 2021 года среднемесячная температура почвы на глубине 0–20 см была самой высокой в июне и июле — 24,2˚C.

Влияние стартового фосфора на сухое вещество кукурузы

На стадии V3 стартовый фосфор повлиял только на вес сухого вещества кукурузы на одном из восьми участков в 2020 и 2021 годах.

Участок 8 показал линейную реакцию плато с критической нормой стартового фосфора 5 кг P/га и максимальным весом сухого вещества кукурузы 0,68 мг/га. Участок 2 показал похожую картину, но линейное увеличение веса сухого вещества при введении стартового фосфора между 0 и 5 кг P/га не было значимым (p = 0,056;). 

В среднем вес сухого вещества кукурузы на стадии V3 в течение вегетационного сезона 2020 года варьировался от 0,31 мг/га на участке 1 до 0,88 мг/га на участке 2. Вес сухого вещества кукурузы на стадии V3 в течение вегетационного периода 2021 года варьировался от 0,33 мг/га‐¹ на участке 7 до 0,42 мг/га на участке 6. 

Неожиданно для исследователей данные, полученные на четырех из восьми участков, показали наименьший вес сухого вещества кукурузы на участках, которые получили 20 кг P/га. Но эти различия не были статистически значимыми.

Вес сухого вещества кукурузы на стадии V6 не зависел от стартового удобрения P ни на одном из восьми участков. В 2020 году средний вес сухого вещества кукурузы варьировался от 2,2 мг/га‐¹ на участке 1 до 8,3 мг/га‐¹ на участке 3. Наблюдения, проведенные на стадии V3, показывающие наименьший вес СВ кукурузы при стартовой норме фосфора 20 кг P/га, также были последовательны на стадии V6. 

В 2021 году средний вес СВ кукурузы варьировался от 1,88 мг/га‐¹ на участке 5 до 3,54 мг/га‐¹ на участке 7. 

Урожайность СВ кукурузы при созревании была затронута стартовым фосфором только на одном из семи убранных участков (участок 4). Наивысшая урожайность получена при 5 кг P/га, отмечена тенденция к ее снижению при последующем увеличении норм стартового фосфора. Урожайность СВ кукурузы при созревании варьировалась от 14,4 мг/га‐¹ на участке 1 до 24,3 мг/га‐¹ на участке 3. 

Урожайность СВ кукурузы при сборе была четко дифференцирована на две группы: Когда авторы исследования усреднили урожайность СВ кукурузы по всем нормам стартового фосфора при созревании на участке, то обнаружили, что на участках 2, 3, 4, 5 и 6 урожайность СВ составляла от 20 до 23 мг/га‐¹. Тогда как на участках 1 и 7 показатели были гораздо ниже — 13 мг/га‐¹.

Влияние стартового фосфора на поглощение фосфора

Поглощение фосфора кукурузой на стадии V3 зависело от стартового удобрения P на двух из восьми участков (участок 4 в 2020 году и участок 8 в 2021 году) без четких закономерностей среди норм стартового удобрения P. 

Поглощение фосфора кукурузой на стадии V6 зависело от стартового удобрения P на двух из восьми участков (участок 1 в 2020 году и участок 5 в 2021 году). На участках 1 и 5 самое высокое поглощение фосфора кукурузой было получено при норме стартового удобрения P 5 кг/га. Среди других участков поглощение фосфора кукурузой варьировалось от 5,2 кг/га на участке 6 до 29,3 кг/га на участке 3. 

Поглощение P кукурузой в зрелости было затронуто стартовым P только на одном из семи участков (участок 6 в 2021 году). Неожиданно на Участке 6 норма стартового P 0 кг/га имела самое высокое поглощение кукурузой. Среди других участков поглощение P растениями варьировалось от 22,7 кг/га на участке 1 до 43,6 кг/га на участке 2. 

Среднее поглощение P на всех опытных полях, за исключением участка 1, составило 38 кг/га в год. 

Влияние стартового фосфора на характеристики роста корней в начале вегетационного периода

На стадии V3 общая длина корней и средний диаметр не были затронуты стартовым фосфором в 2020 или 2021 году. 

В 2020 году общая длина корней и средний диаметр составили: 353 см и 0,80 мм — на участке 1; 750 см и 1,69 мм — на участке 4. В 2021 году общая длина корней и средний диаметр составили 890 см и 2,39 мм — на участке 5; 624 см и 1,60 мм — на участке 6. 

Напротив, площадь поверхности корней, объем корней и сухая масса корней были значительно затронуты добавлением стартового фосфора в 2020 году, но не в 2021 году.

В 2020 году площадь поверхности корней варьировалась от 289 см² при стартовой норме P 0 кг/га до 211 см² при стартовой норме P 20 кг/га. Объем корней варьировался от 11,3 см³ при стартовой норме P 0 кг/га до 8,5 см³ при стартовой норме P 20 кг/га. Сухой вес корней составил от 0,73 г при стартовой норме P 0 кг/га до 0,50 г при стартовой норме P 20 кг/га. 

В 2021 году средняя площадь поверхности корней, объем корней и сухой вес корней равнялись 380,5 см², 15,5 см³ и 0,74 г соответственно.

На стадии V6 параметры корня не изменились с добавлением стартового фосфора в 2020 или 2021 году и  различались между двумя участками, но не имели значительного взаимодействия скорости фосфора × участок. 

Общая длина корня варьировалась от 806 см на участке 1 до 2358 см на участке 4; средний диаметр корня — от 2,48 мм на участке 1 до 7,52 мм на участке 4; площадь поверхности корня — от 515,4 см² на участке 1 до 1481 см² на участке 4; объем корня — от 26,9 см³ на участке 1 до 77,5 см³ на участке 4; сухой вес корня — от 2,20 г на участке 1 до 8,64 г на участке 4. 

Связь между поглощением фосфора кукурузой с объемом корней и поверхностью корней

В 2020 году связь между поглощением фосфора кукурузой с площадью поверхности корней и объемом была описана квадратичными регрессиями на стадиях V3 и V6. R2 регрессий с площадью поверхности корней составил 0,68 и 0,96 на стадиях V3 и V6 соответственно. R2 регрессий с объемом корня составили 0,70 и 0,95 на стадиях V3 и V6, соответственно. 

Интересно, что значимые квадратичные регрессии с поглощением P на стадиях V3 и V6 характеризовались положительными наклонами. Чувствительность площади поверхности корня и объема корня в исследовании была подчеркнута положительными наклонами регрессии с поглощением P кукурузой на стадиях V3 и V6 в 2020 году.

В 2021 году взаимосвязи между поглощением P и площадью поверхности корня были описаны квадратичными регрессиями на стадиях V3 и V6. На стадии V3 R2 регрессий составил 0,45, но с отрицательным наклоном (−0,017). На стадии V6 R2 и наклон составили 0,85 и 0,145 для участка 5; 0,31 и 0,095 — для участка 6.

Взаимосвязь между поглощением P кукурузой и объемом корня на стадии V3 была описана квадратичной регрессией с R2 = 0,30, но с отрицательным наклоном (−0,253).

Взаимосвязь между поглощением P кукурузой и объемом корня на стадии V6 была описана квадратичной регрессией (R2 = 0,49, наклон = 0,625) для участка 5. Напротив, поглощение P кукурузой не было связано с объемом корня на участке 6.

Влияние стартового фосфора на изменения AM-P

Значения AM-P значительно увеличились с добавлением стартовых норм фосфора, но степень варьировалась в течение раннего вегетационного периода на всех участках в 2020 и 2021 годах. Нормы AM-P изменялись от 0,45 до 9,0 мкг P/см на 2 день в 2020 году и от 0,0 до 1,58 мкг P см−2 день в 2021 году. Таким образом, нормы AM-P были намного ниже в 2021 году, чем в 2020 году. На всех участках нормы AM-P увеличивались с увеличением стартового удобрения P в течение первой недели и в среднем составляли порядка 20 > 15 > 10 > 5 > 0 кг P/Га. 

За несколькими исключениями нормы AM-P были схожи для всех норм стартового удобрения P в течение остальной части раннего вегетационного периода. На участке 1 наблюдался скачок AM-P между 5 и 6 WAP; на участке 2 эффект стартового P на AM-P был заметен в течение более длительного периода до 7 WAP; на участке 3 пик произошел на 3 WAP; на участке 4 пик был измерим между 4 и 6 WAP; на участках 5–8 пики были измеримы до 3 WAP; на участке 6 и участке 7 — между 9 и 10 WAP. 

В целом, показатели AEM-P были заметно высокими сразу после посадка и внесение стартовых удобрений P, а также в периоды обильных осадков.

Обсуждение

Влияние стартового фосфора на молодую и зрелую силосную кукурузу 

Отсутствие реакции веса СВ кукурузы на стартовое удобрение P на стадиях V3 и V6 может быть связано с высоким поступлением элемента через внесение молочного навоза. А также избыточными концентрациями STP на опытных полях. 

Общее поступление P варьировалось от 50 до 70 кг/га (за исключением участка 7). Это указывает на то, что 71–100% фосфора, внесенного в почву, были получены из навоза КРС. Большое количество растворимого P, присутствующего в молочном навозе легкодоступно для усвоения молодыми растениями. Поэтому рост растений силосной кукурузы в начале вегетационного периода усилился. Температура почвы выше 18˚C на стадиях V3 и V6 также, вероятно, способствовала поступлению P из почвы. Концентрации PM3 на большинстве участков этого исследования были в высоких и избыточных классах, и, следовательно, теплые температуры могли положительно повлиять на скорость диффузии фосфатных ионов (Gahoonia & Nielsen, 2003; Ylivainio & Peltovuori, 2012).

Диапазон PM3, полученный в этом исследовании, совпадает со значениями, полученными Messiga et al. (2021) на 11 участках кукурузы на силос западной части Канады. Результаты исследования показывают, что минеральное стартовое удобрение P имеет мало или вообще не имеет преимуществ для производителей, если навоз вносится во время вспашки, а почва содержит высокий уровень фосфора.

Эти результаты согласуются с результатами, полученными ранее Messiga et al. (2020). Стало известно, что критическая норма стартового удобрения P для кукурузы на силос — от 5 до 7,5 кг P/га. Также исследование показало: 64% общего фосфора находится в форме растворимых фосфатов (Dou et al., 2000), которые легко доступны корням растений из навоза КРС (Jasim et al., 2020; Kratz et al., 2019).

Ginting et al. (1998) оценили влияние однократного внесения твердого коровьего навоза на динамику содержания фосфора в почве в Миннесоте. Было зафиксировано увеличенное поглощение Р кукурузой из-за большого содержания неорганического фосфора в навозе. Он оставался в почвенном растворе в течение всего вегетационного периода. 

Другие исследования также подчеркнули благоприятное влияние внесения молочного навоза на содержание фосфора в почвенном растворе, что указывает на повышенную доступность фосфора для растений (Abboud et al., 2018; Vadas et al., 2007).

Кроме того, в ходе исследования в долине Фрейзера на западе Канады эксперты земетили, что стартовый фосфор не влияет на урожайность сухого вещества кукурузы при уборке. Это согласуется с результатами, полученными на ранних стадиях роста. Результаты показывают, что оптимальный урожай кукурузы можно поддерживать без внесения стартового удобрения P. 

Действительно, средний урожай СВ кукурузы при созревании находился в оптимальном диапазоне для силосной кукурузы в этом регионе (20–25 мг/га, Messiga и др., 2020; Poon & Schmidt, 2010). Даже для участков, которые не получали стартового удобрения P.

Отсутствие эффекта стартового фосфора на урожай СВ кукурузы можно объяснить начальными высокими уровнями STP (PM3), которые увеличивали лабильную фракцию P, который легко проникал в виде ионов фосфата в почвенный раствор. 

Аналогичным образом, исследование в штате Мэн показало, что урожайность картофеля на почвах с высоким содержанием P не реагировала на внесение удобрений P, потому что фоновые концентрации P обеспечивали растениям достаточное количество фосфата (Джасим и др., 2020). 

В регионах с высоким содержанием фосфора в почве, например как в долине Фрейзера Британской Колумбии, фермерам имеет смысл пересмотреть стандартные нормы внесения фосфорных удобрений — 40 кг/га. Преимуществом станет сокращение производственных затрат и повышение экономической отдачи.

Также в ходе исследования эксперты отмечали, что на двух участках урожайность сухого вещества была ниже оптимального диапазона. Участок 1 был создан в область поля, где в 2020 году преобладали заболоченные условия из-за высокого количества осадков. Это может привести к снижению роста корней, а иногда — к их гниению, что ограничивает объем ризосферы растений (Kaur et al., 2020; Tian et al., 2021). Вероятно, это отразилось в низкой урожайности участка. 

На участке 7 концентрации P считались низкими и средними (47 мг/кг, Poon & Schmidt, 2010), навоз не вносили. Гораздо более низкий урожай СВ кукурузы на участке 7, вероятно, был вызван ограниченной доступностью фосфата в почве. Поэтому стартовый Р, внесенный на этом участке без добавления навоза, все еще был недостаточен для удовлетворения потребностей растений в фосфоре.

Авторы исследования сделали вывод, что в будущем необходимо подробнее изучать долгосрочное влияние отказа от стартовых фосфорных удобрений, а также, как стартовые фосфорные удобрения влияют на рост молодой кукурузы. Кроме того, важно понять, как растения используют уже накопленный в почве фосфор.

Фермерам авторы предложили дифференцированный подход:

· На бедных фосфором почвах (как участок 7) следует сначала повышать уровень Р до оптимального, а затем поддерживать концентрацию в почве ежегодными внесениями. 

·На богатых фосфором почвах можно сокращать или исключать стартовые удобрения.

Влияние стартового фосфора на характеристики корней в начале вегетационного периода

Повышенная доступность фосфора от внесения навоза в корневой зоне, вероятно, объясняет отсутствие эффекта стартового фосфора на длину и диаметр корней на стадиях V3 и V6. Возможно, что адекватное поступление фосфата снизило потребность в более длинных корнях для поиска фосфора (Lambers et al., 2008). 

Визуальные наблюдения выявили осевой рост у большинства корней, что было благоприятным фактом в зонах с высоким содержанием фосфата, но могло замедлить удлинение корней в более глубокие почвы.

В литературе реакция длины и диаметра корней на минеральное удобрение фосфором не ясна. Исследование риса, проведенное в Южном Китае, показало, что минеральное удобрение фосфором не повлияло на длину корней, но уменьшило их диаметр (Y. He et al., 2003).

В эксперименте, проведенном на побережье Северного Уэльса, Великобритания, длина и диаметр корней ячменя увеличивались при внесении минерального удобрения фосфором (Heydari et al., 2019). Однако есть больше доказательств, подтверждающих, что рост длины корней замедляется, когда доступность фосфора для растений достаточна (J. He et al., 2021; Heydari et al., 2019).

В 2020 году внесение стартовых фосфорных удобрений в начале вегетации привело к значительному уменьшению площади поверхности, объема и сухой массы корней. Хотя в 2021 году такого эффекта не наблюдалось, регрессионный анализ показал тенденцию к снижению этих параметров при увеличении доз фосфорных удобрений на стадии V3. Это свидетельствует о том, что отдельные характеристики корневой системы особенно чувствительны даже к незначительным изменениям в обеспечении молодых растений фосфором.

Разная реакция корневой системы может объясняться несколькими факторами. Длина корней, которая, по данным Райзера (2006), менее чувствительна к содержанию фосфатов, зависит от плотности и степени разветвленности корневой системы. В то же время изменения диаметра корней могут быть связаны с активностью микоризных грибов (Линч, 2019). Пониженные температуры и высокая влажность почвы в начале вегетационного периода 2020 года могли дополнительно ограничить доступность фосфатов в верхних слоях почвы, что повлияло на развитие корневой системы.

Объяснение подтверждается результатами AM-P, использованными для измерения растворимости фосфата в полях долины Фрейзер. Концентрация фосфатных ионов в почвенном растворе после первой недели вегетационного периода снизилась. 

Условия окружающей среды, вероятно, также влияли на способность корневой системы адаптироваться к изменяющейся среде. 

Различия между опытными участками хорошо иллюстрируют пластичность корневого развития. Хотя участки 1 и 4 имели сходные почвенные характеристики (одинаковая текстура и исходное содержание фосфора PM3), их расположение в рельефе существенно повлияло на рост корней. Низменное положение участка 1 с заболоченными условиями значительно ограничило развитие корневой системы по сравнению с участком 4. В свою очередь, на участке 6 в 2021 году снижение роста корней было вызвано наличием плужной подошвы. Плотный слой почвы, создает механическое препятствие для роста корней (Soar & Loveys, 2007). 

Доступность фосфата в вегетационный сезон

В первые недели вегетационного периода было зафиксировано значительное повышение показателей AM-P, что связано с внесением стартовых фосфорных удобрений. Эти ранние результаты согласуются с научными данными, подтверждающими, что AM-P служит надежным показателем концентрации фосфатных ионов в почвенном растворе (Shi et al., 2016). 

Хотя исследователи предполагали, что рост значений AM-P в ранний вегетационный период приведет к увеличению сухого вещества, практика этого не подтвердила. Отсутствие связи между увеличением AM-P и весом сухого вещества молодой кукурузы указывает на то, что при предварительном внесении навоза в почве оказывается достаточно естественного Р для нормального развития кукурузы на силос. Это означает, что дополнительное фосфорное удобрение в таких условиях может не давать ожидаемого эффекта.

Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями, которые показывают низкую вероятность реакции на удобрения P в почвах с высокими или избыточными концентрациями PM3 ( Jasim et al., 2020; Reid & Schneider, 2019; Rowe et al., 2016). 

Результаты исследования в Британской Колумбии также подчеркивают одно ограничение, связанное с использованием метода AM, которое также описано в литературе.

Метод AM сталкивается со сложностями при оценке содержания фосфатных ионов в почвенном растворе из-за различий в почвенных условиях. Наблюдаемые колебания показателей AM-P связаны с режимом осадков, влияющим на влажность почвы в начале вегетационного периода. Заметное увеличение значений AM-P происходило в периоды обильных дождей, тогда как при отсутствии осадков показатели AM-P приближались к нулю. 

В 2021 году более теплые и засушливые условия из-за недостатка осадков привели к существенно более низким показателям AM-P по сравнению с 2020 годом. Такая временная изменчивость значений в зависимости от влажности почвы объясняется низкой подвижностью фосфатных ионов, чье перемещение из твердой фазы почвы в раствор происходит путем диффузии (Ylivainio & Peltovuori, 2012). Схожие закономерности были отмечены в Квебеке, где увеличение влажности почвы после дождей сопровождалось ростом сорбции питательных веществ (Nyiraneza et al., 2011).

Исследование в Канаде выявило также две характерные реакции корневой системы. Во-первых, при легкой доступности фосфатных ионов растения сокращают вложения в корневые ткани, перенаправляя ресурсы на надземный рост. Поэтому биомасса и площадь поверхности корней снижается (J. He et al., 2021; Lambers et al., 2008). Во-вторых, высокое содержание фосфора требует увеличения биомассы стебля для поддержки развитой надземной части, что дополнительно сдерживает рост корней (Yan et al., 2019). 

Эти данные свидетельствуют, что доступный фосфор из навоза подавляет развитие корневой системы и связанные с ней процессы усвоения питательных веществ. В исследовании наблюдалось контрастное поведение разных параметров корневой системы: общая длина и диаметр корней реагировали на внесение стартового фосфора иначе, чем площадь поверхности, объем и сухая масса корней.

Выводы

Исследование в долине Фрейзер показало, что применение стартовых фосфорных удобрений не оказало существенного влияния на сухую массу кукурузы на стадиях V3 и V6 на участках, где при вспашке вносили навоз. Исключением стал лишь один участок, где критическая норма внесения составила 5 кг/га. 

Урожайность кукурузы при созревании в большинстве случаев находилась в оптимальном диапазоне 20-25 Мг(т)/га независимо от дозы стартового удобрения в течение двухлетнего исследования. Лишь два участка показали отклонения: один с изначально низким содержанием фосфора без внесения навоза и другой с проблемой заболачивания.

Интересно, что длина и диаметр корней практически не реагировали на внесение фосфорных удобрений, тогда как площадь поверхности, объем и сухая масса корней имели тенденцию к снижению. При этом в 2020 году наблюдалась четкая зависимость: чем больше была площадь поверхности и объем корней, тем активнее происходило поглощение фосфора растением на стадиях V3 и V6, что хорошо описывалось квадратичными регрессионными моделями. Эти данные подчеркивают сложную взаимосвязь между развитием корневой системы и усвоением питательных веществ в разные периоды вегетации.

Исследование показало, что внесение стартовых фосфорных удобрений заметно влияло на показатели AM-P только в первую неделю после посадки, но не в последующий вегетационный период. Это свидетельствует, что эффект от фосфорных удобрений при выращивании кукурузы на силос существенно зависит от исходного содержания элемента в почве. 

Вот основные рекомендации для аграриев, которые сформулировали авторы исследования:

· Если в почве высокое содержание фосфора, можно ограничиться внесением навоза в вегетативный период и не использовать стартовые фосфаты. Это сэкономит финансы и снизит экологические риски.  

· При низком содержании фосфора лучше применить стратегию «накопить и поддерживать». Сначала повысить уровень фосфора до нормы, например, 5-7,5 кг P/га (это на 75% меньше обычных рекомендаций в 40 кг P/га). Затем вносить столько навоза и фосфатов, сколько целесообразно для оптимальной урожайности гибридов кукурузы на конкретных почвах. 

Стратегии можно использовать при выращивании силосной кукурузы, в том числе гибридов кукурузы компании «Лимагрен».

Фотографии в статье из архива компании «Лимагрен»