Агроекологічна оцінка вирощування соняшнику у короткоротаційних сівозмінах Лівобережного Лісостепу України: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра філософії: 201 – Агрономія

Abstract

У сучасних умовах, вирощування соняшнику є пріоритетним напрямком для більшості господарств. Це одна з найбільш прибуткових культур в аграрному виробництві України, тому його посівні площі постійно зростають, а термін повернення на попереднє місце вирощування скорочується. Дослідження, які висвітлюються у дисертаційній роботі обумовлені проблематикою, що полягає в обґрунтуванні можливості та доцільності збільшення насиченості короткоротаційних сівозмін соняшником з урахуванням агроекологічних показників родючості ґрунту, його врожайності та продуктивності, тобто в агроекологічній рівновазі. Наукова новизна досліджень. Уперше: проведено дослідження окремих агроекологічних показників родючості чорнозему типового під посівами соняшнику, який займав 20, 40 і 60 % від сівозмінної площі, зокрема, визначено рН, електрофізичні показники та вміст водорозчинних солей катіонів кальцію, натрію та калію у ґрунті; досліджені рослинні зразки соняшнику (кошики, стебла і коріння) на вміст поживних елементів залежно від насичення ним сівозмін; доведено, що соняшник із часткою до 40 % у сівозміні не призводить до погіршення поживного режиму ґрунту; встановлено, що при насиченні сівозміни соняшником на 60 % відбувається інтенсивна діяльність целюлозоруйнівних мікроорганізмів у ґрунті; проведені розрахунки економічної та енергетичної ефективності сівозмін з насиченням 20, 40 і 60 %. Набули подальшого розвитку: дослідження щодо обґрунтування доцільності збільшення частки соняшнику у короткоротаційних сівозмінах. Мета дослідження – оцінити агроекологічний стан ґрунту при вирощуванні соняшнику з різним насиченням у сівозмінах короткої ротації в умовах Лівобережного Лісостепу України. Для досягнення поставленої мети було передбачено вирішення наступних завдань: проаналізувати спрямованість змін показників родючості ґрунту залежно від частки соняшнику в сівозміні; визначити водно-фізичні, агрофізичні, електрофізичні й агрохімічні показники ґрунту за різного насичення сівозмін соняшником; розрахувати рівень водоспоживання соняшнику в різних сівозмінах; дослідити мікробіологічну активність ґрунту в посівах соняшнику залежно від періоду його повернення на попереднє місце; встановити вплив питомої частки соняшнику на його врожайність та продуктивність; оцінити економічну й енергетичну ефективність вирощування соняшнику за різного насиченням ним сівозмін. Дисертаційну роботу було виконано у рамках ініціативних тематик кафедри землеробства та гербології ім. О. М. Можейка: «Розробити ландшафтно-адаптивні основи сучасних систем землеробства лівобережного Лісостепу та Північного Степу» (№ державної реєстрації 0117U002512), «Розробити теоретичні основи ґрунтозахисної системи землеробства в Лівобережному Лісостепу та Північному Степу України» (№ державної реєстрації 0121U108245), ГДТ з ТОВ «Науковий Парк «АГРОЗООВЕТ»» (НДР № 05/21/Д). Також було отримано грант на тему «Influence of saturation of short-term crop rotation with sunflower on soil moisture» у рамках проекту Чеської Республіки «Interuniversity cooperation as a tool for enhancement of quality of selected universities in Ukraine» 2019–2021. Для вирішення поставлених завдань досліджували п’ятипільні сівозміни, у структурі яких, частка соняшнику складала 20, 40 і 60 %. Для встановлення впливу насиченості сівозмін соняшником на родючість чорнозему типового було досліджено такі агроекологічні показники: водно-фізичні, агрофізичні, агрохімічні та електрофізичні; уміст водорозчинних катіонів; целюлозолітичну активність ґрунту. Установлено, що при високій частці соняшнику в сівозміні погіршуються водно-фізичні показники родючості ґрунту. Найбільше доступної вологи за осінньо-зимовий і ранньовесняний періоди накопичувалося у полі соняшнику при насиченні 20 %. У період його збирання, на цьому варіанті були залишені високі запаси вологи, значення яких по шарах складали: 0–20 см – 150 м3 /га, 0– 100 см – 498 м3 /га, 0–150 см – 797 м3 /га, а насичення сівозміни соняшником на 60 % призвело до зниження цього показника на: 14, 163 і 302 м3 /га, відповідно. Найбільш ефективно соняшник використовував вологу на формування врожаю у сівозмінах з насиченням 20 і 40 %. Так, при його врожайності 3,01–3,13 т/га коефіцієнт водоспоживання становив 911–1004 м3 /т, відповідно. Соняшник з часткою 60 % споживав надмірну кількість вологи, порівняно з іншими варіантами, однак це не мало позитивного ефекту на формування врожаю. Визначено, що щільність складення орного шару ґрунту на досліджуваних варіантах знаходилася в оптимальних межах для соняшнику – 1,07–1,11 г/см3 , з незначним підвищенням її значень у сівозміні із насиченням 60 %. Найнижча щільність складення, у межах 1,04–1,10 г/см3 , була на варіанті з насиченням 20 %. Найкраща оструктуреність орного шару ґрунту спостерігалася під посівами соняшнику за насичення ним сівозміни 20 %, про що свідчить коефіцієнт структурності – 1,2. Так, на цьому варіанті, уміст повітряно-сухих і водотривких агрегатів становив 65,4 і 75,1 %. При збільшенні частки соняшнику до 60 % відбулося зниження їх вмісту на 6,9 і 5,9 %. Однак, загалом погіршення структурного стану орного шару ґрунту не було виявлено. Встановлено, що ґрунт під посівами соняшника мав низьку забезпеченість легкогідролізним азотом, середню забезпеченість – рухомим фосфором та підвищену – обмінним калієм. У шарі ґрунту 0–30 см, уміст легкогідролізного азоту був найбільшим серед досліджуваних елементів – 132–140 мг/кг ґрунту. Враховуючи те, що соняшник використовує велику кількість фосфору для формування генеративних органів, а калію для вегетативної маси, то сполук P2O5 у ґрунті залишилося значно менше – 68–85 мг/кг ґрунту. При цьому, найвище значення було отримано у варіанті із 40 % соняшнику, а найнижче – з 60 %. З поміж досліджуваних сівозмін, найбільше сполук обмінного калію було зафіксовано на варіанті з часткою соняшнику 40 %. До того ж, велика кількість цього елементу була акумульована у кошиках – 8,56 % на суху масу. Для порівняння, у кошиках соняшнику, який займав 20 % була накопичена найбільша кількість сполук азоту – 0,67 % на суху масу, а фосфору – у стеблах – 0,28 % на суху масу. Визначено, що у шарі ґрунту 0–30 см показник рН на варіантах з насиченням 20 і 40 % знаходився у межах нейтральної реакції ґрунтового середовища – 7,0–7,3, що є оптимальним для вирощування соняшнику. На варіанті з насиченням 60 % реакція ґрунтового середовища збільшувалася до слаболужної – 7,6. Встановлено високу обернену кореляційну залежність урожайності соняшнику від реакції ґрунтового середовища – r= -0,95. Варто зазначити, що цей показник також залежав від умісту у ґрунті водорозчинних солей катіону кальцію – r = 0,97. Виявлено високу мікробіологічну активність орного шару ґрунту в полі соняшнику з насиченням 60 %. Розкладання полотна на цьому варіанті відбулося на рівні 37,0 % від початкової маси. Активність мікробіому зростала із глибиною, і досягала максимальних значень у шарі ґрунту 20–30 см по всіх варіантах. Така тенденція прослідковувалася впродовж усіх років досліджень. Хоча інтенсивність проходження мікробіологічних процесів, значним чином, залежала від погодних умов, які складалися в окремі роки досліджень. Дослідження електрофізичних показників ґрунту, вказує на взаємозв’язок між електричною провідністю й іншими показниками родючості ґрунту. Особливо важливе значення для електропровідності мала висока наявність водорозчинних солей катіонів кальцію, рівень кореляції між цими показниками склав 1,00. Найвищий уміст сполук Са2+ був на варіанті з часткою соняшнику 60 %. В орному шарі ґрунту його кількість була на рівні 312 мг/л. При насиченні сівозмін соняшником на 20 і 40 % було отримано високий врожай насіння соняшнику. На цих варіантах він був на рівні 3,01–3,13 т/га, а його продуктивність становила 5,31 і 5,52 т к.-п. од./га, відповідно. Збільшення частки до 60 % знизило його врожайність на 0,47 т/га, а продуктивність на 0,62 і 0,83 т к.-п. од./га. Також збільшення насичення соняшником вплинуло на врожайність інших культур у сівозмінах та їх продуктивність у цілому. Насичення сівозмін соняшником на 60 і 40 % забезпечило вихід кормопротеїнових одиниць, у середньому по сівозмінах, на рівні 5,31 і 5,34 т/га. У наших дослідженнях, рентабельність вирощування соняшнику перевищувала 100 %, з вищими її значеннями – 120 і 126 % у сівозмінах з насиченням 20 і 40 %. За рахунок низького умовно чистого прибутку через зниження врожайності та збільшення собівартості у сівозміні з часткою 60 % рентабельність його вирощування знизилася на 25,9 %. Однак, незважаючи на це, збільшення частки соняшнику у сівозміні до 60 % зробило сівозміну найбільш рентабельною – 72,5 %. З енергетичної точки зору, ефективність вирощування соняшнику залежала від насичення його у сівозміні. Так, коефіцієнт енергетичної ефективності (Кее) був найвищим на варіанті з насиченням соняшнику 20 % – 3,03.

In today's environment, growing sunflower is a priority for most farms. It is one of the most profitable crops in Ukrainian agriculture, so its acreage is constantly growing, and the time to return to the previous place of cultivation is shortening. The research covered in this dissertation is based on the problem of substantiating the possibility and feasibility of increasing the saturation of short-term crop rotations with sunflower, taking into account agroecological indicators of soil fertility, its yield and productivity, that is, in agroecological balance. Scientific novelty of the research. For the first time: some agroecological indicators of typical chernozem fertility under sunflower crops, which occupied 20, 40, and 60 % of the crop rotation area, were studied, in particular, pH, electrophysical parameters, and the content of water-soluble salts of calcium, sodium, and potassium cations in the soil were determined; sunflower plant samples (baskets, stems and roots) were examined for the content of nutrients depending on the saturation of crop rotations; it has been proven that sunflower with a share of up to 40 % in the crop rotation does not lead to a deterioration in the soil's nutrient regime; it was found that when the crop rotation is saturated with sunflower by 60 %, intensive activity of cellulose-degrading microorganisms in the soil occurs; calculations were made of the economic and energy efficiency of crop rotations with a saturation of 20, 40 and 60 %. The research to substantiate the feasibility of increasing the share of sunflower in short rotation crop rotations was further developed The aim of the study is to assess the agroecological state of the soil when growing sunflower with different saturation in short-term crop rotations in the conditions of the Left-Bank Forest-Steppe of Ukraine. To achieve this goal, the following tasks were envisaged: analyse the direction of changes in soil fertility indicators depending on the share of sunflower in the crop rotation; to determine water-physical, agrophysical, electrophysical, and agrochemical soil parameters at different saturation of crop rotations with sunflower; calculate the level of water consumption of sunflower in different crop rotations; to study the microbiological activity of the soil in sunflower crops depending on the period of its return to its original place; to determine the impact of the sunflower share on its yield and productivity; to evaluate the economic and energy efficiency of sunflower cultivation with different saturation of crop rotations. The dissertation work was carried out within the framework of the initiative topics of the Chair of Farming and Herbology named after A. M. Mozeiko: "Development of landscape-adaptive bases of modern farming systems of the left-bank Forest-Steppe and Northern Steppe" (state registration number 0117U002512), "To develop theoretical foundations of soil protection system of agriculture in the Left Bank Forest-Steppe and Northern Steppe of Ukraine" (state registration number 0121U108245), CCI with AGROZOVET Science Park LLC (SRW № 05/21/D). We also received a grant for «Influence of saturation of short-term crop rotation with sunflower on soil moisture» within the framework of the project of the Czech Republic «Interuniversity cooperation as a tool for enhancement of quality of selected universities in Ukraine» 2019–2021. To solve these problems, five-field crop rotations were studied, in the structure of which the share of sunflower was 20, 40 and 60 %. To determine the effect of sunflower crop rotation saturation on the fertility of typical chernozem, the following agroecological indicators were studied: water-physical, agrophysical, agrochemical and electrophysical; cellulosolytic activity of the soil, water-soluble cations and soil pH. It was found that with a high share of sunflower in the crop rotation, water and physical indicators of soil fertility deteriorate. Most of the available moisture during the autumn-winter and early spring periods was accumulated in the sunflower field at a saturation of 20%. During the period of its harvesting, high moisture reserves were left on this variant, the values of which by layers were: 0–20 cm – 150 m3 /ha, 0– 100 cm – 498 m3 /ha, 0–150 cm – 797 m3 /ha, and the saturation of crop rotation with sunflower by 60 % led to a decrease in this indicator by: 14, 163 and 302 m3 /ha, respectively. Sunflower used moisture most efficiently for crop formation in crop rotations with 20 and 40 % saturation. Thus, with its yield of 3.01–3.13 t/ha, the water consumption coefficient was 911–1004 m3 /t, respectively. Sunflower with a share of 60 % consumed an excessive amount of moisture compared to other variants, but this did not have a positive effect on the formation of the crop. It was determined that the density of the tilth layer of soil in the studied variants was within the optimal range for sunflower – 1.07–1.11 g/cm3 , with a slight increase in its values in the crop rotation with a saturation of 60 %. The lowest density of compaction, in the range of 1.04–1.10 g/cm3 , was in the variant with 20 % saturation. The best structured topsoil was observed under sunflower crops with a crop rotation saturation of 20 %, as evidenced by the structural coefficient of 1.2. Thus, in this variant, the content of air-dry and water-resistant aggregates was 65.4 and 75.1 %. With an increase in the share of sunflower to 60 %, their content decreased by 6.9 % and 5.9 %. However, in general, no deterioration in the structural condition of the tilth soil layer was detected. It was found that the soil under sunflower crops had a low supply of easily hydrolysable nitrogen, an average supply of mobile phosphorus, and an increased supply of exchangeable potassium. In the soil layer 0–30 cm, the content of easily hydrolysable nitrogen was the highest – 132–140 mg/kg of soil. Given that sunflower uses a high amount of phosphorus for the formation of generative organs and potassium for vegetative mass, the amount of P2O5 compounds in the soil was much lower – 68– 85 mg/kg soil. At the same time, the highest value was obtained in the variant with 40 % sunflower, and the lowest – with 60 %. Among the studied crop rotations, the highest amount of exchangeable potassium compounds was recorded in the variant with a share of sunflower of 40 %. In addition, a large amount of this element was accumulated in the baskets – 8.56 % on dry weight. For comparison, the largest amount of nitrogen compounds was accumulated in the baskets of sunflower, which occupied 20 %, 0.67 % of dry weight, and phosphorus – in the stems – 0.28 % of dry weight. It was determined that in the soil layer of 0–30 cm the pH value in the variants with 20 and 40 % saturation was within the range of neutral reaction of the soil environment – 7.0–7.3, which is optimal for growing sunflower. On the variant with 60 % saturation, the reaction of the soil environment increased to slightly alkaline – 7.6. A high inverse correlation between sunflower yield and the reaction of the soil environment was found – r = -0.95. It is worth noting that this indicator also depended on the content of water-soluble calcium cation salts in the soil – r = 0.97. High microbiological activity of topsoil in a sunflower field with a saturation of 60 % was found. The decomposition of the fabric in this variant occurred at the level of 37.0 % of the initial weight. The activity of the microbiome increased with depth, and reached its maximum values in the soil layer of 20–30 cm in all variants. This trend was observed throughout the years of research. However, the intensity of microbiological processes largely depended on the weather conditions that prevailed in certain years of the study. The study of soil electrophysical parameters indicates a correlation between electrical conductivity and other indicators of soil fertility. Especially important for electrical conductivity was the high presence of water-soluble salts of calcium cations, the correlation between these indicators was 1.00. The highest content of Ca2+ compounds was in the variant with a share of sunflower of 60 %. In the topsoil, its amount was at the level of 312 mg/l. With the saturation of crop rotations with sunflower by 20 and 40 %, a high yield of sunflower seeds was obtained. In these variants, it was at the level of 3.01–3.13 t/ha, and its productivity was 5.31 and 5.52 t of d. m. units/ha, respectively. An increase in the share to 60 % reduced its yield by 0.47 t/ha, and productivity by 0.62 and 0.83 t of plant units/ha. Also, the increase in sunflower saturation affected the yield of other crops in crop rotations and their productivity in general. The saturation of crop rotations with sunflower by 60 and 40 % ensured the yield of feed protein units, on average, at the level of 5.31 and 5.34 t/ha. In our research, the profitability of sunflower cultivation exceeded 100 %, with higher values of 120 and 126 % in crop rotations with a saturation of 20 % and 40 %. Due to the low conditional net profit due to lower yields and higher costs in the crop rotation with a share of 60 %, the profitability of its cultivation decreased by 25.9 %. However, despite this, an increase in the share of sunflower in the crop rotation to 60% made the crop rotation the most profitable – 72.5 %. From the energy point of view, the efficiency of sunflower cultivation depended on its saturation in the crop rotation. Thus, the energy efficiency coefficient (EeC) was the highest in the variant with a sunflower saturation of 20 % – 3.03