Stanovenie optimálnych dávok dusíka pre kukuricu
Úvod
- Dusík (N) je pri pestovaní kukurice obvykle živinou, ktorá najviac ovplyvňuje celkové výnosy. Ako naplniť požiadavky porastov na dusík bez jeho nadbytočnej aplikácie? To je dilema, ktorú riešia pestovatelia kukurice každý rok.
- K nízkej účinnosti aplikovaného dusíku dochádza často v dôsledku strát dusíku zo systému, ale často tiež v dôsledku neschopnosti odhadnúť ekonomicky optimálne dávkovanie dusíku.
- Existuje niekoľko metód pre odporúčania aplikovaných množstiev dusíku, označovaných napr. ako „cieľový výnos“ alebo „vyvažovanie hmôt“ a „maximálna návratnosť dusíku“ (MRTN - Maximum Return to N).
- Pestovatelia môžu dávkovanie dusíku upravovať v priebehu pestovateľskej sezóny na základe výsledkov pôdnych testov alebo plodinových senzorov.
- Každý z prístupov k riešeniu dusíkovej bilancie má svoje výhody a nevýhody. Pestovatelia by mali zvážiť rôzne stratégie a vybrať si také, ktoré maximalizujú potenciálny profit a pritom minimalizujú riziko nadmernej aplikácie a strát dusíku.
Dusík (N) je živina, ktorá obvykle najvýraznejšie ovplyvňuje výnosy kukurice a zároveň predstavuje jeden z najvyšších ekonomických vstupov súvisiacich s maximalizáciou návratnosti. Vysoké ceny dusíkatých hnojív spolu s nedávnymi vysokými stratami dusíku v pôde v dôsledku intenzívnych dažďových zrážok upriamili vo viacerých krajinách pozornosť na správne riešenie dusíkovej bilancie pri produkcii kukurice. Pestovatelia v mnohých oblastiach spochybňujú predchádzajúce postupy riešenia dusíkovej bilancie a sú často veľmi ochotní skúšať nové stratégie, ktoré by zlepšili účinnosť opatrení súvisiacich s dusíkom (Mathesius Luce, 2009; Shanahan et al., 2008).
Tento článok sa zameriava na prehľad nových stratégií vyvinutých pre stanovenie optimálneho dávkovania dusíka a zlepšenie účinnosti opatrení súvisiacich s dusíkom pri produkcii kukurice. Obsiahnuté sú najnovšie postupy pre stanovenie ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku (EONR - Economically Optimum Nitrogen Rates), známeho tiež ako metóda „maximálnej návratnosti podaného dusíku“ (MRTN - Maximum Return To Nitrogen), ako aj postupy stanovenia ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku založené na pôdnom alebo plodinovom prístupe. Predchádzajúce články tejto série sa venovali rozdelenému použitiu dusíkatých hnojív alebo ich použitiu v priebehu sezóny, ktoré umožňujú lepšie previazať aplikáciu dusíkatých hnojív s rastovými potrebami kukurice. Prvý článok (vydaný 20.júla 2011, Pioneer Magazín č. 16) tejto série sa venoval „záchrannej“ aplikácii dusíkatých hnojív u porastov kukurice, kde došlo k významným stratám dusíka z pôdy v dôsledku nadmerných zrážok.
Ťažkosti pri stanovovaní optimálneho dávkovania dusíku
Existuje niekoľko príčin, ktoré vedú k nízkej účinnosti aplikovaných dusíkatých hnojív - často pozorovanému javu pri pestovaní kukurice. Nízka účinnosť často súvisí s vysokými stratami dusíku zo systému, najčastejšie v dôsledku nadmerných dažďových zrážok (obrázok 1).
| Obrázok 1. Rastliny kukurice postihnuté vážnym nedostatkom dusíku v dôsledku intenzívnych dažďových zrážok a dlhodobých vlhkých podmienok na ploche |
Jednou z ďalších hlavných príčin je neschopnosť správne stanoviť ekonomicky optimálne dávkovanie dusíka - teda najvyššie množstvo dusíku, ktoré sa ešte ekonomicky vráti vo výnose (Sawyer et al., 2006a). Stanovenie tohto množstva je obtiažne, pretože kukurica často vykazuje v dôsledku rôznych podmienok počasia veľmi výraznú variabilitu odozvy na podaný dusík.
Nepresné odhady ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku môžu viesť v niektorých rokoch k prehnojeniu a v iných k nedostatočnému hnojeniu dusíkom. Nadmerné hnojenie znižuje rentabilitu pestovateľov v dôsledku plytvania hnojivami na vstupoch a môže tiež viesť ku kontaminácii životného prostredia (Shanahan et al, 2008). Pri nedostatočnej aplikácii dusíku sa zase rentabilita pestovateľov znižuje v dôsledku nedosiahnutia možných výnosov. Existuje preto celkom pochopiteľná potreba zlepšiť režim aplikácie dusíkatých hnojív, aj keď schopnosť presne odhadovať ekonomicky optimálne dávkovanie dusíka v každom roku a na každej ploche zostane zrejme nedosiahnuteľná (van Es et al. 2007).
Predchádzajúce metódy pre stanovenie dávkovania dusíku často používali prístup zameraný na „cieľový výnos“ (Stanford, 1973, Stanford a Legg, 1984). Prvý krok tejto metódy spočíva v stanovení realistického cieľového výnosu, založeného na historických skúsenostiach s danou pestovateľskou plochou a/alebo aktuálnych možnostiach. Množstvo dusíku požadovaného pre cieľový výnos je potom stanovené z tabuliek popisujúcich spotrebu živín plodinami (s percentuálnym odpočtom pre straty). Od týchto požiadaviek je odpočítaný „kredit“ dusíku dodaný v podobe hnojenia maštaľným hnojom, zeleného hnojenia a inej pôdnej mineralizácie organickej hmoty. Výsledkom je množstvo dusíkatého hnojiva, ktoré musí byť dodané pre potreby pestovanej plodiny.
Táto metóda sa tiež niekedy nazýva „vyváženie hmôt“ (mass balance) a pre svoju jednoduchosť je široko používaná. Nie je však bez nedostatkov (Shanahan et al. 2008). Hlavnou slabinou, ktorá spočíva v podstate tejto metódy, je skutočnosť, že vzťah medzi výnosom a ekonomicky optimálnym dávkovaním dusíka sa napr. vo veľmi vlhkých oblastiach „kukuričného pásu“ v USA javí veľmi slabý. Pri zvážení skutočnosti, že takmer všetky štáty Stredozápadu na východ od Veľkých planín majú obvykle dobré zrážkové podmienky, je to podstatné obmedzenie použiteľnosti.
Toto obmedzenie metódy „vyvažovania hmôt“ pri stanovení dávkovania dusíka ukázal súhrn takmer 300 výskumných štúdií. Výskumní pracovníci analyzovali údaje z 298 predchádzajúcich experimentálnych pestovaní v piatich štátoch „kukuričného pásu“ v USA, v ktorých bola meraná odozva výnosu na podané množstvo dusíku (Lory a Scharf, 2003). Analýza ukázala, že takto vytvorené odporúčania prevyšujú ekonomicky optimálne množstvo dusíka v priemere o 90 kg/ha. Tieto výsledky silno podporujú pozorovanie, že cieľový výnos nie je priamym faktorom určujúcim potrebu dusíku u kukurice. Podobné výsledky potvrdzujúce slabú predikčnú schopnosť cieľového výnosu pre optimálne množstvo dusíku potvrdili aj výskumní pracovníci v Iowe (Blackmer et al., 1997), Kentucky (Grove a Schwab, 2006), Pennsylvánii (Fox a Piekielek, 1995), Ontáriu (Kachanoski et al., 1996) a Wisconsine (Bundy, 2000).
Vysvetlenie týchto pozorovaní spočíva podľa Grova a Schwaba (2006) v skutočnosti, že sezóny s veľmi priaznivými podmienkami pre rast (dostatočné, avšak nie nadmerné zrážky) tiež vytvárajú priaznivé podmienky pre lepšiu mineralizáciu dusíku z organickej hmoty v pôde. Naopak, v sezónach s nepriaznivými podmienkami pre rast dochádza tiež obvykle k nižšej rýchlosti mineralizácie. Pretože v produktívnych rokoch je tak v pôde uvoľňované väčšie množstvo dusíku, množstvo dusíku potrebné na jednotku výnosu je tak nižšie ako v rokoch s menej intenzívnou mineralizáciou. Čistým výsledkom je teda skutočnosť, že kukurica vyžaduje rovnaké množstvo dusíku, bez ohľadu na potenciálny výnos v danom roku. (Toto sa nevzťahuje na pôdy s nízkym obsahom organickej hmoty (napr. piesočnaté pôdy), ktoré nie sú schopné dostatočného uvoľňovania dusíku mineralizáciou.)
Stanovenie dávkovania dusíku pomocou kalkulátora
Rozpoznanie problémov súvisiacich s metódou „vyvažovania hmôt“ viedlo k tomu, že viacerí pestovatelia v najdôležitejších produkčných oblastiach kukurice sa obrátili k novému postupu stanovenia dávok dusíku. Jedná sa napr. o oblasti Iowa, Illinois, Indiana, Michigan, Minnesota, Ohio a Wisconsin, kde sa pri stanovení optimálneho dávkovania dusíku začal používať prístup označovaný ako „maximálna návratnosť podaného dusíku“ (MRTN - Maximum Return To Nitrogen) (Sawyer et al., 2006a). Táto metóda poskytuje všeobecné alebo regionálne odporúčania pre dávkovanie dusíku na základe databázy zostavenej z viacročných experimentálnych pestovaní na rôznych miestach týchto štátov. Tieto údaje sa používajú na úpravu kriviek výnosov voči množstvu podaného dusíku a umožňujú tak aj vykonanie ekonomických analýz odozvy výnosov. Tento prístup využíva kalkulátor “Corn Nitrogen Rate Calculator”, ktorý je dostupný v rámci agronomického programu Iowa State University na webovej stránke:
http://extension.agron.iastate.edu/soilfertility/nrate.aspx.
| Obrázok 2. Graf maximálnej návratnosti podaného dusíku (MRTN) pri rotácii sóje a kukurice v Iowe. Odporúčania platia pre ceny kukurice 180 $/tona a cene dusíkatého hnojiva 1,1 $/kg. Pre hodnotenie bolo použitých 172 výskumných lokalít. Ekonomicky výhodný rozsah dávkovania dusíka predstavuje v grafe plocha ± 1 $ / ha návratnosti podaného dusíku (MRTN). Zdroj: Iowa State Univ. Extension |
Dávkovanie dusíku s najväčšou priemernou čistou návratnosťou odpovedá hodnote „maximálnej návratnosti voči dusíku“ (MRTN). Odporúčania sa však môžu líšiť pri odlišných pomeroch cien zrna a hnojiva. Aby sme ilustrovali spôsob práce kalkulátora, ukážeme Vám dva príklady s rôznymi cenami dusíkatého hnojiva a zrna kukurice pri rotácii kukurice so sójou v Iowe (obrázky 2 a 3)
V prvom príklade je cena zrna kukurice 180 $/t a cena dusíkatého hnojiva 1,1 $/kg (obrázok 2). V druhom príklade je cena zrna kukurice 260 $/t a cena dusíkatého hnojiva zostáva stále 1,1 $/kg (obrázok 3). Pre tieto dva rozdielne cenové scenáre kalkulátor predpovedá maximálnu návratnosť podaného dusíku pri dávkovaní dusíkatého hnojiva 140 kg/ha resp. 155 kg/ha. Pri kontinuálnej rotácii samotnej kukurice kalkulátor zvýši odhad maximálnej návratnosti podaného dusíku na 198 kg/ha resp. 210 kg/ha dusíkatého hnojiva pri rovnakých cenových podmienkach (údaje neuvedené), čo odzrkadľuje zvýšené požiadavky na dusík pri kontinuálnom pestovaní kukurice oproti jej rotácii so sójou.
| Obrázok 3. Graf maximálnej návratnosti podaného dusíku (MRTN) pri rotácii sóje a kukurice v Iowe. Odporúčania platia pre ceny kukurice 260 $/tona a cene dusíkatého hnojiva 1,1 $/kg. Pre hodnotenie bolo použitých 172 výskumných lokalít. Ekonomicky výhodný rozsah dávkovania dusíka predstavuje v grafe plocha ± 1 $ / ha návratnosti podaného dusíku (MRTN). Zdroj: Iowa State Univ. Extension |
| Obrázok 4. Hodnotenie odozvy porastov kukurice na rôzne dávkovanie dusíku v experimentálnom pestovaní spoločnosti Pioneer v Johnstone (Iowa) v roku 2009. V štvrtom roku štúdie sa pri kontinuálnom pestovaní kukurice a nedostatočnom doplňovaní dusíku prejavil výrazný nedostatok dusíku. (Číselné hodnoty odpovedajú percentuálnemu podielu odporúčanej doplnkovej aplikácie dusíku podľa kalkulátora Iowa State University.) |
Je vhodné si všimnúť, že čistá návratnosť vytvára okolo hodnoty optimálnej dávky dusíku relatívne plochú krivku a zmeny výnosov okolo tejto hodnoty sú teda malé. Pre maximalizáciu profitu preto nie je nevyhnutné poznať dávkovanie dusíku celkom presne. Tento rozsah okolo optimálnej hodnoty umožňuje pri voľbe dávkovania určitú flexibilitu, ktorá umožňuje pestovateľom adresovať rôzne produkčné riziká a fluktuácie cien.
Výhody prístupu maximálnej návratnosti podaného dusíku
Prístup využívajúci maximálnu návratnosť podaného dusíku by mal predstavovať významný pokrok oproti metóde porovnávania hmôt, pretože zahŕňa aktuálne ceny hnojív i zrna a využíva údaje stále aktualizovanej databázy rozsiahlej siete experimentálnych pestovaní sledujúcich vzťah výnosov a dávkovania dusíku. Tento kalkulátor dokáže tiež pri odporúčaní dávkovania dusíku zahrnúť význam pôdnej organickej hmoty, ktorá pokrýva určitú časť požiadaviek pestovaných plodín na dusík. Napríklad v severných štátoch USA (Minnesota, Wisconsin), kde je obsah organickej hmoty v pôde obvykle vyšší oproti južnejším štátom, je obvykle odporúčané nižšie dávkovanie dusíkatých hnojív (Sawyer et al., 2006a).
Pretože však tento prístup poskytuje len generalizované odporúčania pre aplikáciu dusíku na väčších plochách a dobu viacero rokov, nedokáže adekvátne reagovať na problematiku medziročnej variability teplôt a zrážok (Grove a Schwab, 2006; van Es et al. 2007). Premenlivosť počasia pritom môže medziročne výrazne meniť obsah dostupného dusíku v pôde, ako aj požiadavky pestovaných plodín na dusík (Shanahan et al., 2008). Bez ohľadu na to však prístup využívajúci maximálnu návratnosť podaného dusíku môže slúžiť pre tvorbu všeobecných odporúčaní pre pestovateľov a je užitočným nástrojom pre odhad ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku na pestovateľských plochách.
Úprava dávkovania dusíku podľa výsledkov pôdnych testov
Ďalším spôsobom pre stanovenie ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku je použitie rôznych pôdnych testov, ktoré dokážu odhadnúť využiteľné zásoby dusíku v pôde. Jedným z prvých testov, ktoré by pestovatelia pre tento účel mali zvážiť je predvýsevový test Pre-Plant N Test (PPNT; Bundy et al., 1995). Tento test sa používa na začiatku pestovateľskej sezóny a stanovuje v pôde dusičnany alebo kombináciu dusičnanov a amoniaku (obvykle z hĺbky 0 - 60 cm) a môže byť použitý pri rozhodovaní o aplikácii dusíku pred alebo pri výseve. Tento test môže byť použitý v situáciách s vysokým zvyškovým dusíkom v pôde z predchádzajúcej sezóny alebo pri aplikácii maštaľného hnoja, pretože umožňuje upraviť dávkovanie dusíka na začiatku pestovateľskej sezóny na základe dusíka dostupného z organickej hmoty. Použitie testu PPNT, spolu so zahrnutím ostatných faktorov ovplyvňujúcich dusíkovú bilanciu (napr. závlahy), je obzvlášť užitočné pri odhadovaní ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku v suchších západných oblastiach „kukuričného pásu“ USA (Shapiro et al, 2008). Tento postup je však menej úspešný pri odhadovaní ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku v mokrejších oblastiach, kde na začiatku sezóny môže dochádzať v dôsledku výdatných zrážok k vysokým stratám dusíku z pôdy (van Es et al., 2007).
Ďalším vhodným testom pre odhad dostupného dusíku a ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku je stanovenie dusíku pred medziriadkovým prihnojovaním (PSNT - Pre-Sidedress Nitrate Test), vyvinuté Magdoffom a kol.. (1984). Výsledky tohto testu poskytujú možnosť upraviť medziriadkové dávkovanie dusíku (Blackmer et al., 1989) na základe zvyškového dusíku prítomného v pôde v čase aplikácie. Sogbedji a kol. (2000) napríklad zistili, že správne vyhodnotenie výsledkov tohto testu umožnilo nižšie dávkovanie dusíku a následne viedlo k nižšiemu vyplavovaniu dusičnanov, pričom výnosy boli porovnateľné s plochami, na ktorých sa dávkovanie dusíkatých hnojív odhadovalo tradičnou metódou cieľového výnosu. Hlavným problémom súvisiacim s týmto prístupom sú hlavne pomerne náročné požiadavky na odber a analýzu pôdnych vzoriek v krátkom časovom úseku na jar (Ma a Dwyer, 1999).
Alternatívnym prostriedkom na detekciu pestovateľských plôch, ktoré nebudú reagovať na aplikáciu dusíkatých hnojív je test Illinois Soil Nitro-gen Test (ISNT) (Mulvaney et al., 2001). Tento jednoduchý test meria koncentrácie aminocukrov v pôde, ktoré by mali odpovedať príspevku organickej hmoty k celkovému dusíku v pôde. Výsledky tohto testu veľmi dobre korelujú s výnosovou odozvou na aplikáciu dusíkatých hnojív. Tento postup bol vyhodnotený ako veľmi dobre úspešný pri identifikácii nereagujúcich pestovateľských plôch v Illinois (Mulvaney et al., 2005) a po zahrnutí vplyvu typu pôdy v niektorých oblastiach Juhovýchodu USA (Williams et al., 2007). Niektoré štúdie vykonané v oblastiach „kukuričného pásu“ USA (Laboski, 2004; Osterhaus a Bundy, 2005; Barker et al., 2006) však žiadnu závislosť medzi výsledkami testu a ekonomicky optimálnym dávkovaním dusíku nenašli. Tento postup má preto pri optimalizácii dávkovania dusíku v oblastiach „kukuričného pásu“ USA zrejme len obmedzenú použiteľnosť.
| Obrázok 5. |
Úprava dávkovania dusíku na základe monitorovania plodín
Nedávne pokroky v snímaní plodín senzormi umožňujú odhadovanie dusíkovej bilancie v plodinách počas pestovateľskej sezóny v reálnom čase. Ako vhodný prostriedok pre stanovenie dusíkovej bilancie v listoch alebo vňati pri odhadovaní množstva sezónne aplikovaného dusíku sa odporúča stanovenie chlorofylu (obrázok 6, Sawyer et al., 2006b) alebo použitie nesených plodinových senzorov (obrázok 7, Shanahan, 2010). Tento spôsob však zároveň vyžaduje použitie vysokovýkonného postrekového vybavenia.
| Obrázok 6. Stanovenie chlorofylu v porastoch kukurice. Zdroj: John Sawyer, Iowa State University |
Postup obvykle vyžaduje definovanie oblasti s dostatočným množstvom dusíka, teda oblasti, ktorá bola pred výsevom kukurice dostatočne pohnojená. Prístup je zvlášť výhodný pre veľmi veľké plochy, kde by pôdne testy pred výsevom alebo v priebehu sezóny boli na správny odhad ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku jednoducho veľmi prácne.
Technológie plodinových senzorov poskytujú možnosť najlepšie optimalizovať vzťahy medzi výnosom, profitom a ochranou životného prostredia (Shanahan et al. 2008). Je však potrebné si pripomenúť, že existujú oblasti, kde použitie senzorov nemusí byť vhodné (Shanahan, 2010). Jedným z príkladov môžu byť plochy s vysokou vlhkosťou v čase testovania a sezónnej aplikácie dusíku, avšak s následnými nízkymi až zanedbateľnými zrážkami. Za týchto podmienok môže byť dusík aplikovaný na povrch pôdy pre rastliny nedostupný a výnosová odozva tak bude obmedzená. V takýchto prípadoch je vhodnejšia aplikácia dusíku pred výsevom.
Záver
Aktuálne postupy riešenia dusíkovej bilancie a odhadovania ekonomicky optimálneho dávkovania dusíku boli navrhnuté hlavne s cieľom poskytovať odporúčania pre dávkovanie dusíku pred alebo pri výseve. Aj keď sa jednotlivé metódy môžu v presnosti predpovede sezónnych potrieb dusíku líšiť, poskytujú užitočné počiatočné informácie ohľadom potrebného množstva podávaného dusíku. Hlavným obmedzením týchto metód je skutočnosť, že poskytujú len statické odporúčania, ktoré nemôžu reagovať na sezónne zmeny počasia ovplyvňujúce dostupnosť dusíku a/alebo príjem dusíku rastlinami (van Es et al., 2007). Napríklad použitie metódy maximálnej návratnosti podaného dusíku (MRTN), ktorá je založená na regionálnych skúsenostiach s odozvou plodín na hnojenie (Sawyer et al., 2006a), môže viesť k nadmernému hnojeniu v rokoch so suchými jarmi a naopak k nedostatočnému prísunu dusíku v rokoch s vysokými jarnými stratami dusíku.
V praxi potom pestovatelia často volia vyššie dávky dusíkatých hnojív, aby poistili výnos pre prípad nadmerne mokrého jarného počasia (poistné hnojenie). Toto môže viesť k nadmernej aplikácii hnojív, zbytočným výdavkom a zvýšeniu strát dusíku. Metódy testovania pôdy, ako napr. PPNT a PSNT poskytujú možnosť upraviť dávkovanie dusíku podľa aktuálnych zmien obsahu dusíku v pôde. Podobne dokážu prepojiť aplikáciu dusíku s reálnymi potrebami rastlín plodinové senzory, ktoré taktiež umožňujú pestovateľom významne znížiť celkové množstvo aplikovaného dusíku (Shanahan, 2010). Tieto metódy však tiež nie sú celkom bez nevýhod, medzi ktoré patria hlavne zvýšené náklady súvisiace so získavaním a spracovaním pôdnych vzoriek (van Es et al., 2007), ako aj užšie časové okno umožňujúce aplikáciu dusíku v priebehu sezóny. Pestovatelia tak musia vo všetkých prípadoch dôkladne zvážiť všetky pre a proti jednotlivých prístupov hodnotenia dusíkovej bilancie a použiť jednu alebo viacero stratégií (alebo ich kombinácie), ktoré im umožnia maximalizovať potenciálny profit a zároveň minimalizovať riziká.
| Obrázok 7. Vysokovýkonné postrekové aplikátory s plodinovými senzormi pri priamej aplikácii dusíku v priebehu pestovateľskej sezóny |
