Energy efficiency of sorghum and other grain crops cultivation in Donbass

Full Text

Введение

Глобальное изменение климата на планете, его возрастающее потепление – объективная реальность [1]. Влиянию происходящих изменений климата в наибольшей степени подвержено сельское хозяйство. В условиях повышения температуры в умеренном поясе на планете культуры с типом фотосинтеза С-4, с высоким температурным порогом развития (кукуруза, сорго, просо, подсолнечник, некоторые виды бобовых культур) получают преимущества в сравнении с культурами вида С-3 [2]. Межправительственная группа экспертов по изменению климата в ближайшие 20–30 лет прогнозирует скорость роста температуры в среднем 0,2°С/10 лет [3]. За 1976–2020 гг. скорость роста среднегодовой глобальной приповерхностной температуры (суша и море) на планете достигла 0,179°С/10 лет, а температура над сушей – 0,295°С/10 лет. Территория России теплеет со скоростью 0,51°С/10 лет, причем каждое последующее десятилетие начиная с 1981–1990 гг. теплее предыдущего [4].

Активизация процесса потепления климата затронула и территорию Донбасса, в т.ч. Луганской Народной Республики [5, 6], где согласно данным Луганской АМС среднегодовая температура воздуха за последние 30 лет (1994–2023 гг.) составила 9,6°С при средней многолетней норме за 171 год (1838–2008 гг.), равной 8,1°С, а скорость роста достигла 0,5°С/10 лет [7].

В условиях потепления климата увеличивается степень засушливости в основных регионах производства зерновых культур земледельческой зоны России. Поэтому возникает острая необходимость разработки эффективной стратегии адаптации аграрного сектора экономики России [8]. В этой ситуации рекомендуется заранее предусмотреть увеличение удельного веса более теплолюбивых, засухоустойчивых и жаростойких культур [1], способных в экстремальных условиях обеспечивать стабильные высокие урожаи. Важная роль здесь отводится сорго – наиболее жаростойкой засухоустойчивой, солеустойчивой и пластичной культуре разностороннего использования [9]. В засушливых регионах Юга России необходимо увеличить площади посева высокопродуктивного засухоустойчивого зернового сорго. В зонах недостаточного увлажнения сорго должно стать основной культурой, повышающей продуктивность севооборотов [10]. По многолетним опытным данным, в засушливых условиях Луганской Народной Республики по урожайности зерновое сорго значительно превосходит ведущие яровые зерновые культуры – овес, ячмень, просо, кукурузу [11].

Значительное колебание цен и влияния ценового фактора не всегда дают объективную оценку агротехническим мероприятиям в стоимостном выражении, так как через ценовые показатели неточно отражаются соотношения материально-технических, трудовых ресурсов и эффекта от мероприятия. Использование менее подверженных конъюнктуре рынка и рыночной экономики натуральных энергетических показателей более успешно решает эту задачу [12]. Оценка биоэнергетической эффективности технологии предусматривает определение степени окупаемости затрат совокупной энергии энергией, накопленной в урожае, исчисление энергоемкости производства единицы потребительной стоимости [13].

Особенностью развития земледелия на современном этапе является то, что увеличение урожайности в 2–3 раза сопровождается повышением затрат энергии на единицу продукции в 10–50 раз, что дает повод рассматривать производство продуктов питания как энергетическую проблему [14].

Основная задача энергетического анализа в земледелии – оценка затрат различных видов энергии. Энергетическая оценка урожая может объективно отражать результативность возделывания всех агрофитоценозов [15].

Цель наших исследований – провести сравнительную энергетическую оценку технологий выращивания яровых зерновых культур – кукурузы, ячменя и сорго в степных засушливых условиях Донбасса (территория ЛНР).

Задачи исследований – изучение продуктивности основных яровых зерновых культур региона и анализ показателей их биоэнергетической эффективности в сравнении с культурой зернового сорго.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились в течение 2018–2022 гг. в пятипольном полевом севообороте кафедры земледелия и экологии окружающей среды на опытном поле ФГБОУ ВО «Луганский государственный агарный университет имени К. Е. Ворошилова» со следующим чередованием культур: чистый пар – озимая пшеница – кукуруза на зерно (1/2 поля) + подсолнечник (1/2 поля) – яровой ячмень – зерновое сорго. Географические координаты расположения опытного поля – 48.535821 с.ш. и 39.215615 в.д. Почва опытного участка – чернозем обыкновенный маломощный слабосмытый на лессовидном суглинке с содержанием в слое 0–25 см 3,3–3,4 % гумуса (по Тюрину), средних запасов подвижного азота и фосфора и повышенного количества обменного калия в отношении зерновых культур. Агротехника возделывания культур была общепринятой для ЛНР [16]. Посевы поддерживались в чистом фитосанитарном состоянии от сорняков, вредителей и болезней путем проведения соответствующих механических и химических обработок. В опыте изучали два варианта основной обработки почвы: традиционная – отвальная вспашка на 20–22 см под ячмень и на 25–27 см под кукурузу и сорго и энергосберегающая – плоскорезная обработка под кукурузу на 25–27 см и дисковое рыхление на глубину 12–14 см под ячмень и зерновое сорго. В севообороте для посева использовались семена следующих сортов: озимой пшеницы – Краса Дона, ярового ячменя – Ратник, гибриды кукурузы – Луганский 287 МВ и Краснодарский 230 МВ, гибрид подсолнечника – Командор 777, гибриды зернового сорго – Спринт W и Солариус. Повторность опыта – трехкратная. Нормы высева всхожих семян ярового ячменя – 4,5–5,0 млн/га, кукурузы – 55–60 тыс./га, зернового сорго – 220–230 тыс./га. Сроки сева культур – рекомендованные для региона [16].

Климат в республике – резко континентальный и характеризуется сильными, постоянными юго-восточными ветрами, засушливо-суховейными явлениями, неравномерным распределением осадков в течение года и большими колебаниями их количества по годам. Зима малоснежная, неустойчивая, лето теплое с неустойчивым увлажнением с частыми засушливыми периодами [17]. По многолетним данным Луганской АМС (1986–2005 гг.), среднегодовая температура воздуха равна 8,8°С, температура самого холодного месяца (января) равна -3,7…-4,9°С, самого теплого месяца (июля) равна +22,3…+22,8°С. Сумма активных (≥10°С) температур за вегетационный период (170–182 дня) – 3148°С. Среднегодовое количество осадков – 528 мм, а за летние месяцы – 181 мм.

При возделывании изучаемых яровых культур все наблюдения, учеты, измерения, анализы проводились в соответствии с общепринятой методикой полевого опыта [18]. Расчеты показателей биоэнергетической эффективности технологий проводились согласно соответствующим методикам [12, 13, 14, 20], а также работам А. В. Алабушева и Л. Н. Анипенко [10].

Результаты исследования

В годы проведения опыта погодные условия вегетационного периода контрастно различались (табл. 1). Наиболее засушливыми были 2018 и 2020 гг. (недобор осадков составил 75,2 и 179,0 мм, а ГТК был ниже нормы на 0,34 и 0,62 единицы). Крайне неблагоприятные условия влагообеспеченности сложились в 2020 году за период июнь-сентябрь (∑ осадков – 56,4 мм, ГТК – 0,20, т.е. условия природной зоны пустыни) [20].

 

Таблица 1. Показатели метеорологических наблюдений за погодными условиями вегетационного периода в 2018–2022 гг.

Table 1. Indicators of meteorological observations of the weather conditions of the growing season in 2018–2022

Год	Месяц						или ∑ за IV–IX
	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Cреднемесячная температура воздуха, °С
2018	11,9	18,5	21,6	23,7	22,5	18,0	19,2
2019	10,1	17,6	23,3	21,2	20,3	14,7	17,9
2020	8,5	14,8	23,0	24,1	21,8	18,2	18,4
2021	9,8	17,2	21,4	25,2	24,3	14,1	18,7
2022	12,4	13,9	21,5	22,5	25,4	14,8	18,4
Многолетняя норма*	10,1	15,6	20,0	22,4	20,9	15,0	17,3
Сумма осадков, мм
2018	13,9	41,6	85,5	50,8	9,5	33,5	234,8
2019	99,5	74,9	23,4	96,5	73,4	18,5	386,2
2020	9,7	64,9	6,2	40,4	9,8	0,0	131,0
2021	36,5	63,2	151,0	22,2	34,0	34,3	341,2
2022	60,8	46,7	44,7	15,6	76,2	64,6	308,6
Многолетняя норма*	30	47	73	70	38	52	310
Гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова
2018	0,39	0,73	1,32	0,69	0,14	0,62	0,65
2019	3,28	1,37	0,33	1,47	1,17	0,42	1,34
2020	0,04	1,41	0,09	0,54	0,15	0,00	0,37
2021	1,24	1,19	2,62	0,28	0,45	0,81	1,10
2022	1,63	1,08	0,69	0,22	0,97	1,45	1,01
Многолетняя норма*	0,99	0,97	1,22	1,01	0,59	1,16	0,99

 

Гидротермический режим в период вегетации сорго в 2022 году был на уровне многолетней нормы. Наилучшие условия влагообеспеченности были в 2019 и 2021 гг. (ГТК больше нормы на 0,35 и 0,11 единиц).

Таким образом, наиболее благоприятные условия для роста и развития ранних и поздних яровых зерновых культур были в 2019, 2021 и 2022 гг.

Период активной вегетации с.-х. культур (со среднесуточными температурами воздуха 10ºС и выше), согласно данным Луганского ЦГМ, в 2018 году был 174 дня при сумме активных температур 3586°С, в 2019 году соответственно – 183 дня и 3460°С, в 2020 году – 174 дня и 3481°С, в 2021 году – 171 день и 3357ºС, в 2022 году – 197 дней и 3564ºС. Многолетние показатели, по данным Луганского ЦГМ, равны 176 дней и 3148ºС [17].

Изучаемые способы основной обработки почвы оказывали влияние на рост, развитие и продуктивность яровых зерновых культур. Установлено, что при выращивании зерновой кукурузы на фоне глубокого (на 25–27 см) плоскорезного рыхления в качестве осенней основной обработки почвы показатели зерновой продуктивности были на уровне с вариантом осенней глубокой (на 25–27 см) отвальной вспашки. Также не отмечено существенных различий в продуктивности ярового ячменя в зависимости от изучаемых способов обработки почвы (табл. 2).

 

Таблица 2. Показатели продуктивности яровых зерновых культур в среднем за первую ротацию пятипольного севооборота (2018–2022 гг.)

Table 2. Productivity indicators of spring grain crops on average for the first rotation of the five-field crop rotation (2018–2022)

Культура	Способы основной обработки почвы	Густота продуктивных стеблей, шт./м2		Масса зерна с початка, колоса, метелки, г		Масса 1000 зерен, г
		± S	V,%	± S	V,%	± S	V,%
Кукуруза на зерно	Отвальная вспашка на 25-27 см	4,5±0,16	7,1	87,5±13,1	30,3	219,9±9,8	10,0
	Плоскорезная обработка 25-27 см	4,6±0,21	9,1	86,8±13,6	32,5	221,7±10,5	10,6
Яровой ячмень	Отвальная вспашка на 20-22 см	382±20,7	12,2	0,76±0,04	12,7	43,2±1,3	6,5
	Рыхление УДА-2,4-20М 12-14 см	378±24,1	14,3	0,74±0,05	15,3	43,0±1,7	8,9
Зерновое сорго	Отвальная вспашка на 25-27 см	13,7±0,9	14,8	43,8±3,61	18,8	18,7±1,1	13,1
	Рыхление УДА-2,4-20М 12-14 см	13,5±0,8	13,3	40,5±3,97	21,9	17,9±1,1	13,4

 

Зерновое сорго положительно реагировало существенным приростом урожая на глубокую (на 25–27 см) отвальную вспашку в сравнении с мелким (12–14 см) дисковым рыхлением. В среднем за 5 лет исследований прирост зерна составил 0,41 т/га (7,4 %) при НСР₀₅ = 0,27–0,38 т/га за счет повышения массы зерна с метелки – на 3,3 г (8,1 %) и массы 1000 зерен – на 0,8 г (4,5%).

В связи с различными уровнями сформированной урожайности и содержания общей энергии в 1 кг сухого вещества зерна были получены различные уровни накопления валовой энергии в урожае зерна с 1 гектара. Среди изучаемых яровых зерновых культур севооборота за счет наибольшей урожайности зерна и средних затрат совокупной энергии на технологию выращивания в посевах сорго получены максимальные показатели энергетической эффективности (табл. 3).

 

Таблица 3. Показатели урожайности и энергетической эффективности яровых зерновых культур за ротацию пятипольного севооборота (2018–2022 гг.)

Table 3. Indicators of yield and bioenergy efficiency in spring crops cultivation on average for the first rotation of the five-field crop rotation (2018-2022)

Культура	Способы основной обработки почвы	Урожайность зерна, т/га	Затраты совокупной энергии, МДж/га	Содержание валовой энергии в урожае зерна, МДж/га	Приращение энергии, МДж/га	Затраты энергии на единицу продукции, МДж/т	Коэффициент энергетической эффективности (η)
Кукуруза на зерно	Отвальная вспашка на 25–27 см	3,86	28491	58425	29934	7381	2,05
	Плоскорезная обработка 25–27 см	3,83	28379	57971	29592	7410	2,04
Яровой ячмень	Отвальная вспашка на 20–22 см	2,82	17199	46394	29195	6099	2,70
	Рыхление УДА-2,4-20М 12–14 см	2,71	17065	44584	27519	6297	2,61
Зерновое сорго	Отвальная вспашка на 25–27 см	5,94	21427	93688	72261	3607	4,37
	Рыхление УДА-2,4-20М 12–14 см	5,53	21230	87221	65991	3839	4,11

 

В сравнении с кукурузой на варианте с отвальной вспашкой по культуре сорго содержание валовой энергии в урожае зерна было выше на 35263 МДж/га (60,4 %), приращение энергии – на 42327 МДж/га (141,4 %), коэффициент энергетической эффективности (η) возрос на 1,75 единицы.

Несмотря на минимальные затраты совокупной энергии на технологию выращивания, но за счет наиболее низкого уровня урожайности яровой ячмень обеспечил и самый низкий выход валовой энергии с 1 гектара посевов, который по варианту отвальной вспашки в сравнении с зерновым сорго снизился на 47294 МДж/га (50,5 %), а коэффициент энергетической эффективности по зерну уменьшился на 1,67 единицы.

Расчетные данные технологических процессов свидетельствуют, что наибольший удельный вес в структуре совокупных затрат при выращивании ярового ячменя приходится на применение удобрений (33,2 %) и горюче-смазочных материалов (24,5 %). При выращивании зернового сорго значительно возрастает доля энергетических потоков, переносимых на продукцию машинами и оборудованием (34,3 %), что связано с резким ростом затрат энергии на послеуборочную очистку и сушку зерна (14,3 % от всех валовых энергетических затрат по технологии возделывания культуры). При этом доля энергозатрат на применение удобрений снизилась до 28,2 %, а на использование ГСМ – до 26,7 %. Наиболее энергоемкой оказалась технология выращивания кукурузы на зерно, в которой доля затрат совокупной энергии, переносимой на продукцию машинами и оборудованием, достигла 45,5 %. При этом 24,0 % всех валовых затрат энергии пришлось на послеуборочную очистку и сушку зерна до стандартной влажности (рис.).

 

Рис. Структура совокупных энергетических затрат при выращивании изучаемых зерновых культур на вариантах с отвальной вспашкой, %

Fig. The structure of total energy costs in the cultivation of the studied crops on options with mouldboard plowing, %

 

Анализ показателей биоэнергетической эффективности возделывания зерновых культур свидетельствует, что наиболее энергоемким является производство зерна кукурузы, когда за счет сравнительно невысокой урожайности культуры потребовалось максимальное количество затрат энергии на единицу продукции, что было в 2,0–1,9 раза больше, чем на производство 1 тонны зерна сорго. Также при этом получен и самый низкий коэффициент энергетической эффективности по зерну (2,04–2,05 единицы), что также было вдвое меньше, чем при выращивании зернового сорго.

В связи с невысокой урожайностью выращивание ярового ячменя обеспечивало значительно меньший энергетический эффект в сравнении с зерновым сорго. Коэффициент энергетической эффективности производства зерна ярового ячменя снизился на 1,67–1,50 единицы относительно посевов зернового сорго.

Заключение

Согласно результатам исследований за 2018–2022 гг. установлено, что в засушливых условиях Луганской Народной Республики выращивание рекомендованных гибридов зернового сорго обеспечивает формирование значительно более высоких уровней урожайности в сравнении с основными яровыми зерновыми культурами региона – яровым ячменем и кукурузой. Прирост урожайности зерна в сравнении с яровым ячменем достигал 3,12–2,82 т/га (110,6–104,1 %), с зерновой кукурузой – 2,08–1,70 т/га (53,9–44,4 %).

При выращивании зерновой кукурузы и ярового ячменя не отмечено существенных различий по урожайности в зависимости от изучаемых способов основной обработки почвы. При выращивании зернового сорго замена глубокой отвальной вспашки на 25–27 см на мелкое дисковое рыхление на 12–14 см приводила к существенному снижению урожайности культуры на 0,41 т/га (6,9 %).

Высокая урожайность зернового сорго обеспечила и максимальный в опыте выход валовой энергии с 1 гектара посевов, что превысило накопление валовой энергии в урожае зерна кукурузы на 35263-29250 МДж/га (60,4–50,5 %), в урожае зерна ячменя – на
47294–42637 МДж/га (101,9–95,6%). На посевах зернового сорго были получены и максимальные коэффициенты энергетической эффективности (η), которые превысили показатели зерновой кукурузы на 2,32–2,07 единицы, а ярового ячменя – на 1,67–1,50 единицы.

В структуре энергетических потоков при производстве зерна ярового ячменя максимум приходился на применение удобрений (33,2 %) и горюче-смазочных материалов (24,5 %). При производстве зернового сорго заметно возрастала доля энергетических потоков, переносимых на продукцию машинами и оборудованием (34,3 %), что связано с резким ростом затрат энергии на послеуборочную доработку – очистку и сушку зерна (14,3 % от всех валовых энергетических затрат в технологии возделывания культуры). При этом доля энергозатрат на применение удобрений снизилась до 28,2 %, а на использование ГСМ – до 26,7 %. При выращивании кукурузы доля затрат совокупной энергии, переносимой на продукцию машинами и оборудованием, достигла 45,5 %, что вызвано значительным их увеличением на очистку и сушку убранного зерна до базисных кондиций.

Таким образом, в условиях ускорения темпов потепления и усиления засушливости климата в западной части Донецко-донского региона степной зоны России, в которую входит территория ЛНР, наиболее урожайной, энергетически ценной, целесообразной, перспективной яровой зерновой культурой является засухоустойчивое зерновое сорго, посевные площади для выращивания которого в регионе необходимо значительно увеличивать.

About the authors

Alexander V. Baranovsky

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Lugansk State Agrarian University named after K.E. Voroshilov”

Author for correspondence.
Email: Lnau_sorgo2011@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2098-0889
SPIN-code: 9133-9230

Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Department of Agriculture and Crop Production

Russian Federation, 291008, Lugansk, Artemovsky district, 1 LNAU

Nikolay N. Timoshin

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Lugansk State Agrarian University named after K.E. Voroshilov”

Email: Zemledelie2016@yandex.ru
SPIN-code: 2430-9178

Candidate of Agricultural Sciences, Head of the Department of Agriculture and Crop Production

Russian Federation, 291008, Lugansk, Artemovsky district, 1 LNAU

Olga N. Kurdyukova

State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Leningrad State University named after A.S. Pushkin”

Email: herbology8@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7500-8275
SPIN-code: 5053-4518

Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Natural Sciences and Geography

Russian Federation, 196605, St. Petersburg, Pushkin, 10A Peterburgskoe highway

References

Supplementary files