Вплив біологічних препаратів на розкладання рослинних решток і продуктивність соняшнику в умовах Степу України

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 201 Агрономія (20 Аграрні науки та продовольство). Миколаївський національний аграрний університет. Миколаїв. 2025. Соняшник - важлива олійна культура з великим економічним, екологічним і агротехнічним потенціалом. Він забезпечує стабільний прибуток і його використовують у різних напрямах. Завдяки високій посухостійкості та здатності адаптуватися до змінних кліматичних умов, соняшник є перспективним для зон із нестабільним кліматом і важливим для сталого землеробства. Морфологія рослини - глибока коренева система, теплолюбність і потреба у великій кількості світла - дозволяють вирощувати її на різних ґрунтах і в агрокліматичних регіонах. Розширення посівів соняшнику в Україні обумовлене економічними вигодами, кліматичними чинниками та впровадженням сучасних агротехнологій, що дозволяють збільшити урожайність і конкурентоспроможність на світовому ринку. Приватне агропідприємство "Схід" має значний потенціал для розвитку, зважаючи на ґрунтово-кліматичні умови, проте сучасні їх зміни, такі як посухи, підвищення температур і дефіцит опадів, вимагають адаптації агротехнологій для забезпечення сталої врожайності. Агротехнічні заходи вирощування соняшнику у дослідженні були адаптовані під регіональні умови Степу України, без зрошення, у напрямку збереження ґрунтової родючості. У наведених дослідженнях чітко простежується важлива роль біологічних препаратів, зокрема деструкторів стерні, у підтриманні та збагаченні ґрунту органічною речовиною, що є основним показником його родючості. У контрольних варіантах, де використовували лише мінеральне живлення без біопрепаратів, вміст органічної речовини був помітно нижчим як до сівби, так і по завершенні вегетації. Це свідчить про те, що лише мінеральне удобрення не забезпечує сталого відтворення гумусового стану ґрунту, особливо в умовах інтенсивного землеробства. Застосування деструкторів стерні, таких як Екостерн класік і лайт, сприяло прискоренню розкладу рослинних решток, збагаченню ґрунту свіжою органічною речовиною та посиленню мінералізаційних процесів, що покращувало доступність поживних елементів для рослин. Збільшення вмісту органіки (з 4,90% до 5,06%) вказує на ефективне біологічне відновлення родючості ґрунту, що є важливою складовою сталого землеробства. Крім того, збереження та накопичення азоту, особливо гідролізованого, амонійного (NH₄⁺) та нітратного (NO₃⁻), у варіантах з деструкторами, свідчить про кращу здатність ґрунту утримувати й перетворювати азот у форми, доступні для рослин, за зменшення втрат. Без деструкторів стерні відбувалося зниження вмісту досліджуваних форм азоту. На особливу увагу заслуговує вплив на рухомі форми фосфору та калію - важливих елементів для енергетичного обміну, синтезу білків, розвитку кореневої системи та процесів росту рослин. Застосування деструкторів істотно підвищувало доступність Р₂О₅ і К₂О, що не тільки збільшувало врожайність, а й активізувало біологічну активність ґрунту, що позитивно впливає на довготривале збереження фізико-хімічних його властивостей. Визначено, що Стоп стрес, хоча й не мав прямого впливу на гумус або мінеральні складові ґрунту, проте підвищував ефективність засвоєння поживних речовин рослинами, що в свою чергу зменшує навантаження на ґрунт, попереджаючи вимивання або закріплення елементів живлення. Без застосування деструкторів розклад стерні за три роки становив лише 53,2%, тоді як із біопрепаратами цей показник значно зростав: від 58,6% (Екостерн лайт) до 66,8% (Екостерн бактеріальний). Екостерн класичний також суттєво перевищував контроль - 64,5%. Різниця між контрольним варіантом і біодеструкторами була статистично значущою. Найвищу ефективність у розкладанні стерні забезпечив Екостерн бактеріальний Загальна кількість мікроорганізмів у ґрунті коливалася від 63,2 до 107,4 тис. КУО/г. У варіантах із Екостерн класік і Екостерн бактеріальний патогенних грибів не виявлено. В інших зразках частка фітопатогенів складала від 4,5 до 17,6%, представлена двома видами Fusarium (F. oxysporum та F. verticillioides). Сапротрофні гриби належали до роду Penicillium, Mucor, Rhizopus, Absidia, Gliocladium, Aspergillus та Trichoderma. Потенційні токсинопродуценти становили 68,8–87,1% від загальної мікрофлори. Частка грибів роду Trichoderma була стабільною (22,6–23,5%), з найвищим значенням у варіанті Екостерн Бактеріальний (37,5%). У контрольному варіанті площа листкової поверхні соняшнику становила 24,7 см² на початку формування кошиків і збільшувалася до 37,8 см² у фазі цвітіння, що було найнижчими значеннями серед досліджуваних варіантів. Використання біодеструктора Екостерн класік сприяло збільшенню площі листків на 3,7 см² (до 28,4 см²) на початку формування кошиків і на 1,9 см² (до 39,7 см²) у період цвітіння. Найвищих показників площі листкової поверхні було досягнуто у варіанті з комбінацією Екостерн бактеріальний + N5 + Граундфікс + Стоп стрес - 35,7 см² на початку формування кошиків і 42,2 см² у фазі цвітіння. Застосування біодеструкторів збільшує площу листків порівняно з контролем, а додавання препарату Стоп стрес підсилює цей ефект, що є особливо важливим за стресових умов. Чиста продуктивність фотосинтезу у контрольному варіанті була дещо вищою, ніж у варіантах з біодеструкторами, що може свідчити про більш активний обмін речовин у рослин. Застосування Стоп стрес дещо знижувало продуктивність фотосинтезу, ймовірно, через адаптаційні процеси в рослинах. Водоспоживання соняшнику залежало від погодних умов: максимум 3811 м³/га - у вологому 2023 році, мінімум 1505 м³/га - у посушливому 2024 році. У 2023 році частка опадів склала 77,7%, у 2024 - лише 57,3%, при цьому рослини більше використовували ґрунтову вологу (42,7%). Посуха 2024 року негативно вплинула на врожайність соняшнику. Визначено сильний кореляційний зв’язок між урожайністю і водоспоживанням (R = 0,99). Коефіцієнт водоспоживання змінювався залежно від року зволоження, обробки насіння, застосування деструкторів і підживлення. Найекономніше вологу рослини використовували в посушливому 2022 році, найвищий коефіцієнт - у 2023-му (особливо у контролі і при Екостерн лайт). Найкраще волога використовувалася у варіантах з антистресантом Стоп стрес, особливо у комбінації з Екостерн бактеріальним. Обробка насіння Мікофрендом зменшувала коефіцієнт водоспоживання. Найнижчими витрати води були за комплексного застосування Мікофренду, біодеструкторів і Стоп стресу. Оптимальною для економного використання вологи була їхня комбінація. За три роки середня врожайність насіння соняшнику у контролі склала 2,37 т/га (обробка водою) та 2,48 т/га (Мікофрендом). Препарат Стоп стрес підвищував врожайність до 2,64 і 2,76 т/га відповідно. Біодеструктори стерні (Екостерн класік, лайт, бактеріальний) забезпечували більш високу врожайність порівняно з контролем. Максимальну врожайність - до 2,89 т/га - сформовано за поєднання Екостерн класік + N5 + Граундфікс + Стоп стрес із Мікофрендом. Відмінностей між біодеструкторами не визначено. Мікофренд стабільно підвищував урожайність, особливо в комбінації з біодеструкторами та антистресантом. Найбільший приріст від обробки насіння Мікофрендом отримали у найвологішому 2023 році. Стоп стрес позитивно впливав на врожайність у всіх варіантах, особливо з деструкторами стерні і Мікофрендом. У контролі формувався найменшим діаметр кошика - 16,7 см. Біодеструктори збільшували його на 0,6–0,7 см, а поєднання з Стоп стресом - до 19,1 см (на 2,4 см більше контролю). Кількість кошиків зросла з 4,2 до 4,6 шт./м², а кількість насінин у кошику значно збільшилась при застосуванні біодеструктора зі Стоп стресом - максимум 882 насінини (на 137 більше за контроль). Маса насіння з кошика зросла до 49,6 г, 1000 насінин - 57,4 г, особливо за комплексного застосування біодеструкторів і антистресанту. У контрольному варіанті без біопрепаратів, але з добривами N5 і Граундфікс, вміст сирого жиру в насінні соняшнику становив 44,1–44,3%. Застосування біодеструкторів стерні Екостерн підвищувало цей показник на 0,5–1,0%. Використання антистресового препарату Стоп стрес посилювало ефект, досягаючи понад 45,0% жиру, особливо у варіантах з Екостерн класік та Екостерн бактеріальним у поєднанні зі Стоп стресом. Обробка насіння Мікофрендом також сприяла незначному зростанню вмісту жиру в зерні (на 0,1–0,3%) порівняно з обробкою насіння водою. Максимальних значень (45,4– 45,6%) досягли за комплексного застосування Екостерн класік або бактеріального, N5, Граундфіксу, Стоп стресу та Мікофренду. Без Стоп стресу вміст жиру в зерні соняшнику був на 0,3–0,4% нижчим. Умовний вихід олії також зростав від застосування антистресового препарату Стоп стрес у комбінації з біодеструкторами та підживленням. Найвищий умовний вихід олії - 1,31 т/га - забезпечили варіанти з Екостерн класік або Екостерн бактеріальний у поєднанні з N5, Граундфіксом, Стоп стресом та обробкою насіння Мікофрендом. Біодеструктори Екостерн класік і лайт забезпечили вищий умовний вихід олії порівняно з контролем. У контрольному варіанті з обробкою насіння водою лушпинність насіння була найвищою - 21,8%. Нижчі значення (20,8%) забезпечили варіанти з біодеструкторами, за поєднання з Стоп стресом та обробкою Мікофрендом. Обробка насіння Мікофрендом знижувала лушпинність на 0,3–0,7% порівняно з передпосівною обробкою його водою. Зменшення лушпинності збільшувало вихід ядра, що підвищує умовний вихід олії. Встановлено дуже сильний кореляційний зв’язок між лушпинністю і врожайністю соняшнику (R² = 0,90). Максимальних показників вартості валової продукції (36,1 тис. грн/га), чистого прибутку (21,7 тис. грн/га) та рівня рентабельності (150,9%) досягнуто за комплексного застосування біодеструктора Екостерн класік із добривами N5, Граундфікс, антистресантом Стоп стрес і обробкою насіння перед сівбою Мікофрендом. Незважаючи на більші витрати на вирощування, економічна ефективність перевищувала контроль. Найвищу рентабельність (157,4%) визначили у варіанті обробки насіння водою (без Мікофренду), проте чистий прибуток при цьому нижчий. Розрахунком енергетичної ефективності підтверджено, що застосування біодеструкторів Екостерн у комбінації з добривами, Стоп стресом і передпосівною обробкою насіння Мікофрендом значно підвищує енергоефективність: надходження енергії з урожаєм перевищувало 67 ГДж/га, приріст енергії - до 45,8 ГДж/га, а коефіцієнт енергетичної ефективності - до 3,07, енергоємність продукції - 7,65 ГДж/т, що оптимальніше за контроль.

----

Sunflower is an important oilseed crop with significant economic, ecological, and agronomic potential. It provides a stable income and is used in various directions. Due to its high drought resistance and ability to adapt to changing climatic conditions, sunflower is promising for areas with unstable climates and is important for sustainable agriculture. The plant's morphology - a deep root system, warmth-loving nature, and need for ample light - allows it to be grown in various soils and agro-climatic regions. The expansion of sunflower cultivation in Ukraine is driven by economic benefits, climatic factors, and the implementation of modern agrotechnologies that increase yield and competitiveness in the global market. The private agricultural enterprise "Skhid" has significant potential for development, considering the soil and climatic conditions; however, current changes such as droughts, rising temperatures, and precipitation deficits require the adaptation of agrotechnologies to ensure sustainable yields. The agrotechnical measures for sunflower cultivation in this study were adapted to the regional conditions of the Southern Steppe of Ukraine, without irrigation, focusing on soil fertility preservation. In the presented studies, the important role of biological preparations, particularly stubble decomposers, in maintaining and enriching the soil with organic matter, a key indicator of its fertility, can be clearly observed. In the control variants, where only mineral nutrition was used without biological preparations, the organic matter content was significantly lower both before sowing and at the end of the growing season. This indicates that mineral fertilization alone does not ensure the sustainable reproduction of the soil's humus state, especially under intensive farming conditions. Stubble decomposers, such as Ekostern Classic and Light, contributed to the acceleration of plant residue decomposition, enriching the soil with fresh organic matter and enhancing mineralization processes, improving nutrient availability for plants. The increase in organic content (from 4.90% to 5.06%) indicates effective biological restoration of soil fertility, which is an important component of sustainable agriculture. Moreover, the preservation and accumulation of nitrogen, particularly hydrolyzed ammonium (NH₄⁺) and nitrate (NO₃⁻), in the variants with decomposers indicates a better ability of the soil to retain and convert nitrogen into forms available for plants, thereby reducing losses. Without stubble decomposers, there was a decrease in the content of the studied forms of nitrogen. Particular attention should be paid to the impact on mobile forms of phosphorus and potassium - essential elements for energy metabolism, protein synthesis, root system development, and plant growth processes. The application of decomposers significantly increased the availability of P₂O₅ and K₂O, which not only increased yield but also activated soil biological activity, positively influencing the long-term preservation of its physicochemical properties. It has been determined that Stop Stress, although it did not have a direct impact on humus or mineral components of the soil, increased the efficiency of nutrient uptake by plants, which in turn reduces the load on the soil, preventing the leaching or fixation of nutrients. Without the use of decomposers, the decomposition of stubble over three years was only 53.2%, whereas with biological preparations this figure significantly increased: from 58.6% (Ekostern Light) to 66.8% (Ekostern Bacterial). Ekostern Classic also significantly exceeded the control at 64.5%. The difference between the control variant and the biological decomposers was statistically significant. The highest effectiveness in stubble decomposition was provided by Ekostern Bacterial. The total number of microorganisms in the soil ranged from 63.2 to 107.4 thousand CFU/g. No pathogenic fungi were detected in the variants with Ekostern Classic and Ekostern Bacterial. In other samples, the share of phytopathogens ranged from 4.5 to 17.6%, represented by two species of Fusarium (F. oxysporum and F. verticillioides). Saprotrophic fungi belonged to the genera Penicillium, Mucor, Rhizopus, Absidia, Gliocladium, Aspergillus, and Trichoderma. Potential toxin producers accounted for 68.8–87.1% of the total microflora. The proportion of Trichoderma fungi was stable (22.6–23.5%), with the highest value in the Ekostern Bacterial variant (37.5%). In the control variant, the leaf area of sunflower was 24.7 cm² at the beginning of basket formation and increased to 37.8 cm² at the flowering stage, which were the lowest values among the studied variants. The use of the biological decomposer Ekostern Classic contributed to an increase in leaf area by 3.7 cm² (to 28.4 cm²) at the beginning of basket formation and by 1.9 cm² (to 39.7 cm²) during flowering. The highest leaf area was achieved in the variant with the combination of Ekostern Bacterial + N5 + Groundfix + Stop Stress - 35.7 cm² at the beginning of basket formation and 42.2 cm² at the flowering stage. The application of biological decomposers increases leaf area compared to the control, and the addition of Stop Stress enhances this effect, which is particularly important under stress conditions. The net photosynthetic productivity in the control variant was somewhat higher than in the variants with biodestructors, which may indicate a more active metabolism in the plants. The application of Stop Stress slightly reduced photosynthetic productivity, likely due to adaptive processes in the plants. The water consumption of sunflowers depended on weather conditions: a maximum of 3811 m³/ha in the wet year of 2023 and a minimum of 1505 m³/ha in the dry year of 2024. In 2023, the share of precipitation was 77.7%, while in 2024 it was only 57.3%, with plants utilizing more soil moisture (42.7%). The drought in 2024 negatively affected sunflower yield. A strong correlation was established between yield and water consumption (R = 0.99). The water consumption coefficient varied depending on the year of moisture, seed treatment, application of destructors, and fertilization. Plants utilized moisture most economically in the dry year of 2022, while the highest coefficient was recorded in 2023 (especially in the control and with Ekostern Light). The best moisture utilization was observed in variants with the anti-stress agent Stop Stress, particularly in combination with Ekostern Bacterial. Seed treatment with Mycofrend reduced the water consumption coefficient. The lowest water expenditure was noted with the combined application of Mycofrend, biodestructors, and Stop Stress. Their combination was optimal for economical moisture use. Over three years, the average yield of sunflower seeds in the control was 2.37 t/ha (water treatment) and 2.48 t/ha (Mycofrend). The Stop Stress preparation increased yields to 2.64 and 2.76 t/ha, respectively. Biodestructors for stubble (Ekostern Classic, Light, Bacterial) provided higher yields compared to the control. The maximum yield of up to 2.89 t/ha was achieved with the combination of Ekostern Classic + N5 + Groundfix + Stop Stress with Mycofrend. No differences were found between the biodestructors. Mycofrend consistently increased yield, especially in combination with biodestructors and the anti-stress agent. The greatest increase from seed treatment with Mycofrend was observed in the wettest year of 2023. Stop Stress positively influenced yield in all variants, especially with stubble destructors and Mycofrend. In the control variant, the most minor diameter of the flower head was formed at 16.7 cm. The biodestructors increased it by 0.6–0.7 cm, while the combination with Stop Stress resulted in a diameter of up to 19.1 cm (2.4 cm more than the control). The number of flower heads increased from 4.2 to 4.6 heads/m², and the number of seeds per head increased dramatically with the application of the biodestructor combined with Stop Stress, reaching a maximum of 882 seeds (137 more than the control). The seed mass per head increased to 49.6 g, and the mass of 1000 seeds reached 57.4 g, especially with the combined application of biodestructors and the anti-stress agent. In the control variant without biopreparations but with fertilizers N5 and Groundfix, the crude fat content in sunflower seeds was 44.1-44.3%. The application of stubble biodestructors Ekostern increased this indicator by 0.5-1.0%. Using the anti-stress agent Stop Stress enhanced this effect, achieving over 45.0% fat content, particularly in variants with Ekostern Classic and Ekostern Bacterial combined with Stop Stress. Seed treatment with Mycofrend also contributed to a slight increase in fat content in the seeds (by 0.1-0.3%) compared to seed treatment with water. Maximum values (45.4-45.6%) were achieved with the combined application of Ekostern Classic or Bacterial, N5, Groundfix, Stop Stress, and Mycofrend. Without Stop Stress, the fat content in sunflower seeds was 0.3-0.4% lower. The conditional oil yield also increased with applying the anti-stress agent Stop Stress in combination with biodestructors and fertilization. Variants provided the highest conditional oil yield of 1.31 t/ha with Ekostern Classic or Ekostern Bacterial combined with N5, Groundfix, Stop Stress, and seed treatment with Mycofrend. The biodestructors Ekostern Classic and Light provided a higher conditional oil yield than the control. In the control variant with seed treatment using water, the seed huskiness was highest at 21.8%. Lower values (20.8%) were recorded for variants with biodestructors, particularly in combination with Stop Stress and Mycofrend treatment. Treatment with Mycofrend reduced huskiness by 0.3-0.7% compared to pre-sowing treatment with water. The reduced huskiness increased kernel yield, enhancing the conditional oil yield. A robust correlation was established between huskiness and sunflower yield (R² = 0.90). The highest values of gross output (36.1 thousand UAH/ha), net profit (21.7 thousand UAH/ha), and profitability level (150.9%) were achieved through the combined use of the biodestructor Ekostern Classic with fertilizers N5, Groundfix, the anti-stress agent Stop Stress, and seed treatment with Mycofrend before sowing. Despite higher cultivation costs, the economic efficiency exceeded that of the control. The highest profitability (157.4%) was recorded in the variant where seeds were treated with water (without Mycofrend), although the net profit in this case was lower. Energy efficiency calculations confirmed that the use of Ekostern biodestructors in combination with fertilizers, Stop Stress, and seed treatment with Mycofrend significantly increases energy efficiency: energy input from the yield exceeded 67 GJ/ha, energy gain reached 45.8 GJ/ha, the energy efficiency ratio was up to 3.07, and the energy intensity of production was 7.65 GJ/t, which is more optimal compared to the control.