Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Почвенно-агрохимические основы адаптивно-ландшафтной организации систем земледелия ВКЗП. Учебное пособие
.pdf
Система удобрений
В этой схеме Д.Н. Прянишникова отсутствует один
важный фактор — человеческий, определяющий ее
устойчивость, ее продуктивность. Аридизация суши,
глобальное потепление климата, расширение песчаных
пустынь — все это достижения современной цивилизации. То, что из 6 миллиардов около 1,5 миллиарда
людей голодает, около половины не имеет биологически полноценной питьевой воды, доказывает хищническую природу человеческого общества. Около 30 лет
назад ФАО приняло программу по ликвидации голода
на Земле, все государства согласились. По подсчетам
Жан-Жака Кусто для этого достаточно было
1
/4 суммы
военных расходов мира. Ничего не получилось. 90%
тракторов и удобрений сосредоточены в развитых
странах. А 90% сельскохозяйственных земель приходятся на слаборазвитые страны, где 250 млн семей (из
350 млн сельскохозяйственных семей мира) владеют
лишь мотыгой.
Все элементы системы «почва–удобрения–растения» (плюс климат и человеческий фактор) обладают
ограниченной буферностью, т. е. способностью к:
n самоочищению (например, перевод в недеятельное
состояние привнесенных вредных для биоты эле-
ментов и веществ);
n саморегуляции (способность поддерживать функ-
циональные свойства, состав и структурное стро-
ение на уровне оптимума);
n самовосстановлению (воспроизводство утраченных
функциональных свойств и структурного состояния).
Устойчивость этой биологической системы обеспечивается лишь при соблюдении общих биологических законов, основными из которых применительно к
системам удобрений являются следующие.
Закон возврата веществ, в нашем случае биоген
ных элементов в почву, который по К.А. Тимирязеву
«<…> представляет одно из величайших приобретений
науки», впервые был сформулирован Ю. Либихом
(1803–1873), автором теории минерального питания
растений. В целом закон прост — чтобы не допускать
нарушения веками сложившегося гомеостаза агроландшафтов, естественного, биологически уравновешенно-
161
го соотношения факторов роста и развития растений и
сохранить плодородие почв, необходимо возвратить
все, что взято растениями и вынесено в ходе других
процессов, постоянно происходящих в почве.
Закон минимума, оптимума и максимума, который
хорошо иллюстрируется схемой, приведенной ниже.
Схема 15. Законы оптимума, минимума,
максимума в агроценозах
Применительно к растениям, в каждую фазу развития им нужно определенное количество каждого фактора (элементы питания, тепло, влага, воздух и др.).
Избыток или недостаток любого фактора снижает урожай либо ухудшает его качество, чаще всего происходит и то и другое. При устранении недостатка фактора
происходит возрастание урожая до определенного
максимума.
Величина фактора, поддерживающая максимальный урожай, представляет собой оптимальное его содержание (состояние), протяженность которого может
быть различной. Дальнейшее возрастание количества
этого фактора обязательно приводит к падению урожая, вступает в силу Закон равнозначности, незаме
нимости факторов роста и развития растений. Он
действует во времени (потребность растений в отдельных элементах питания количественно и в соотношении между отдельными элементами меняется по периодам их роста и развития) и в пространстве. Этим
объясняется необходимость комплексного подхода к
решению практических задач возделывания любой
162
культуры.
Глава II
Система удобрений
К.А. Тимирязев [1937] представлял этот закон в виде
кадки «…на отдельных звеньях которой надписаны
различные составные части пищи растения и общие
условия его существования; звенья спилены на различной высоте, и понятно, что количество воды, которое
может вместить кадка, зависит от уровня, соответствующего самому короткому звену. Так и в поле, очевидно, урожай зависит от того вещества или вообще условия, которого всего менее; … Определить, какое именно это вещество, — конечно самый важный вопрос в
каждом данном случае».
Любая биологическая система приобретает устойчивость и желаемую продуктивность лишь при соблюдении этих основных законов. Конкретным показателем их соблюдения (законопослушности земледельца)
выступает баланс элементов, веществ (и энергии) в
биологических системах, в частности в земледелии.
Баланс биогенных элементов и веществ (и энер
гии) в земледелии характеризует количественные от-
ношения их прихода и расхода с единицы площади за
определенный промежуток времени. Объекты земледелия организованы в незамкнутую систему, для которой характерны приход и расход всех составляющих,
причем конкретные их величины специфичны, многомерны и динамичны. Применительно к агрономической химии — это приход и расход элементов питания
и гумуса с единицы земледельческой площади за определенный промежуток времени, что известно под
названием баланс биогенных элементов и веществ.
В биологической системе «почва–растение–удобрения» агрохимия изучает процессы и режимы, связанные с обменом веществ и энергии в ходе синтеза и
распада органических соединений. Направления этих
процессов и режимов достаточно изучены, и они имеют универсальный характер (и на Кубани и на Вятке
минерализация гумуса завершается выделением СО
О, NН2, NН4, NО3 и т. д.). А вот интенсивность этих
Н
2
процессов определяется локальными условиями и требует конкретизации с целью оконтуривания необходимых предпосылок для достижения максимально положительных значений. Таким образом, динамичность
,
2
163
биохимической земледельческой системы, ее незамкнутость, особенности локальной интенсивности процессов и режимов, происходящих в ходе синтеза и
распада органического вещества предполагают изучение состояния баланса элементов и веществ —
обобщающей характеристики состояния биосистемы — прежде всего на уровне поля, основных типов
и почвенных разностей, севооборота. Надо помнить,
что в почвах накапливаются только те вещества,
соединения, которые наиболее устойчивы в данной
био-гидротермодинамической обстановке — это проявление физических законов сохранения энергии,
законов термодинамики. Следовательно, необходимо
знать:
n какие вещества, соединения нам нужны для созда-
ния урожая и от каких надо избавляться;
n каковы условия их создания, сохранения, стабили-
зации;
n как создать эти условия.
Определение состояния баланса элементов пита-
ния в земледелии дает возможность:
n контролировать направление и интенсивность из-
менений количества и состояния (качества) элементов питания;
n научно обоснованно корректировать количества и
состав применяемых удобрений;
n научно обоснованно подбирать технологические
элементы (набор чередование культур, способы обработки почвы, способы борьбы с вредителями и,
болезнями; способы регулирования гидротермического режима поля и т. д.), чтобы исключить деструкцию полезных свойств почвы (физических,
биохимических, биологических);
n обосновать приемы биологизации земледелия с
целью создания автотрофных биогеохимических
систем на основании внутрихозяйственного оборота органического вещества и биофильных элементов.
Социальное значение данного вопроса известно
давно. Распад ранее цветущих государств многие ученые объясняют истощением земли при бессистемном
ее использовании. Нарушение известного в земледе-
164
Глава II
Система удобрений
лии закона возврата всегда чревато отрицательными
последствиями, приводит к нарушению естественного
развития почвы, обедняет ее сначала в элементах питания, затем в ней затухает жизнь, почва перестает
быть почвой, теряет основное свое назначение — плодородие. «Причина возникновения и падения наций
лежит в одном и том же. Расхищение плодородия почвы обуславливает их гибель, поддержание этого плодородия — их жизнь, богатство и могущество», — писал Ю. Либих [1840]. Причину распада Римской империи он видел в фосфатном истощении почв
африканских колоний. Одна из причин распада СССР
тоже, наверняка, истощение почв и низкие урожаи
сельскохозяйственных культур.
Величина отчуждаемого с поля урожая и содержание элементов питания в нем составляют в обычных
условиях основную часть выноса элементов питания и
надо стремиться к тому, чтобы она была единственная.
Генетически предопределено соотношение элементов питания в урожае отдельных культур, хотя оно
варьирует в определенных пределах. Средние величины этих показателей для основных культур имеют следующий вид (табл. 2.3).
Таблица 2.3. Среднее соотношение N, Р, К, Са в урожае
некоторых сельскохозяйственных культур
Культура N Р2О
Зерновые 3,0 1 2,0 0,5
Ëåí 2,0 1 1,5 1,0
Клевер 3,5 1 3,0 4,0
Картофель 3,0 1 4,0 Сахарная свекла 3,0 1 4,0 -
5
Ê2Î ÑàÎ
В научной литературе есть различные понятия для
характеристики состояния баланса в земледелии.
Активный баланс означает количественные изменения доступных растениям форм элементов питания
за определенный период времени и площади севооборота.
Пассивный баланс подразумевает эти изменения
применительно к общему количеству элемента в почве.
Емкость баланса выражается в кг/га в год.
165
Интенсивность баланса означает относительные
(в %) величины прихода и расхода элемента питания
(относительный возврат элемента в почву).
Для решения задач производственного характера,
агроэкологического мониторинга достаточно учитывать
общий приход и расход биофильных элементов и веществ. При этом не имеет принципиального значения
состояние непосредственной их доступности растениям в данный момент. В почвах постоянно идут процессы их мобилизации и иммобилизации, то, что сейчас
не доступно растениям, завтра может перейти в усвояемую форму и наоборот. Важно сохранить общее количество гумуса, азота и др. элементов на уровне, обеспечивающем нормальную, экологически безопасную и
экономически целесообразную продуктивность пашни,
сельскохозяйственных культур.
Для этого определяют:
n общий вынос (биологический), определяемый по
содержанию элементов питания во всей массе ра-
стения (включая опад, корни и т. д.);
n хозяйственный вынос, характеризуемый количе-
ством элемента в товарной части урожая (основ-
ной и побочной продукции), отчуждаемой с поля.
Поскольку анализ растений — процесс трудоемкий, а размах колебаний содержания элементов питания в пределах отдельных земледельческих зон незначителен, обычно пользуются нормативами выноса, установленными на основании данных полевых опытов,
желательно проведенных в данной земледельческой
провинции [Юлушев, 1984].
Изучение баланса элементов питания в земледелии стало возможным в XIX веке благодаря развитию
химии, физиологии растений и других наук. Первое
систематическое применение точных методов химического анализа в земледелии принадлежит Ж.Б. Буссенго, который за ротацию севооборота (1836–1840) анализировал зерно, солому, клубни, удобрения на содержание золы, N, Р, К, СО
. Его исследования показали
2
большое значение азота в севообороте, притом он нашел, что одни растения обогащают почву азотом, другие истощают. В составе урожая он находил излишек
166
Глава II
Система удобрений
азота над выносом, притом, тем больше, чем севооборот насыщеннее клевером, люцерной.
Большое значение этому вопросу придавал Д.Н. Прянишников, который впервые привел подсчеты состояния баланса NРК в земледелии СССР за 1937 г. Эти
исследования получили широкое распространение
после начала масштабной химизации земледелия страны (после 1964 года). Применительно к условиям ВКЗП
было установлено наличие корреляционной связи между продуктивностью поля и количеством удобрений,
которые «улучшали» состояния баланса (уменьшение
отрицательного баланса) и отсутствие доказуемой связи между этим «улучшением» и урожаями. Вероятно,
удобрения не проявили своего мaксимального положительного действия из-за несоответствия параметров
каких-то других факторов требованиям роста и развития растений. Таким образом, состояние баланса характеризует не величину потенциальной продуктивности поля, а динамику энергии и веществ в агроценозах
[Юлушев, 1975].
Потери элементов питания из данного поля условно можно разделить на относительную и абсолютную.
Относительная потеря показывает уровень перевода запасов элементов питания в неусвояемые растениями формы с сохранением их в пределах корнеобитаемого слоя данного поля. Этот вид потерь учитывается при составлении активного баланса, используемого
в научных исследованиях.
Абсолютная потеря означает отчуждение элементов питания за пределы данного поля, и эти потери
составляют основные расходные статьи хозяйственного
баланса элементов питания.
Важнейшими источниками потерь элементов питания из почвы являются:
n эрозия вертикальная (вымывание), величина кото-
рой связана со сложением почвенного профиля и
режимом влажности. Суть этой эрозии состоит в
миграции растворимых соединений, коллоидных
частиц почвы в нижние горизонты профиля, т. е.
теряется наиболее плодородная часть почвы. В ус-
ловиях рассматриваемой земледельческой провин-
167
Глава II
ции, особенно при сильно выраженном промывном водном режиме в северных районах, где распространены почвы легкого гранулометрического
состава, это явление может иметь значительные
величины. Наиболее интенсивно вымываются нитратный азот, кальций, магний [Юлушев, 1989];
n эрозия поверхностная (ветровая, водная), суть ко-
торой состоит в удалении с поверхности дисперсных частичек стоком воды или движением воздуха.
Величина потерь коллоидной части почвы зависит
от интенсивности стока воды или воздушного потока, от характера рельефа и состояния поверхности почвы. В таблице 2.4 представлены расчеты, показывающие величину выноса основных элементов
питания урожаем пшеницы в 3 т зерна с гектара и
размеры потерь при сносе сантиметровой толщи
пахотного слоя (окультуренный слой в 20–25 см
создается в течение 300–900 лет);
Таблица 2.4. Вынос урожаями и потери N, Р, К при
эрозионном сносе почвы, кг/га
Вынос урожаем пшеницы 66 20 52
Потери при эрозионном сносе 1 см Апах. 76 240 800
Вынос и потери N Ð2 Î5 Ê2 Î
n улетучивание N
, NН3, СО2. Основной причиной
2
образования этих соединений азота, как правило,
является неблагоприятный водно-воздушный режим почвы (денитрификация и т. д.). Числовые значения этих потерь могут достигать до 15–20 кг N
с 1 га в год;
n химическое поглощение и необменная фиксация не-
которых катионов и анионов, при которой элементы
питания, оставаясь в корнеобитаемом слое, исключаются из биологического круговорота. Потери при этом
происходят путем химического поглощения (Н
3+
, Fe3+, Ca2+), физико-химического необменного
AL
поглощения (фиксация К
+
, NH+ коллоидными фракциями некоторых минералов).
Приход элементов питания осуществляется различ-
ными путями, важнейшими из которых являются сле-
168
дующие.
2РО4
с
Система удобрений
Биологическая фиксация азота. В 1893 году
С.Н. Виноградский открыл сапрофитные анаэробные
бактерии, усваивающие газообразный азот Clostridium
pasteurianum, они неприхотливы и встречаются повсеместно.
В 1901 году М. Бейеринк открыл аэробную бактерию, усваивающую молекулярный азот — Azotobacter
chroococcum, весьма требовательную к субстрату, которая не выносит кислую реакцию среды и дефицит
фосфора, влаголюбива. Поэтому эта бактерия в основном встречается в плодородных почвах. Azotobacter
chroococcum, а также Clostridium pasteurianum и некоторые сине-зеленые водоросли за счет химической
энергии молекулы глюкозы С
ровать 8 атомов азота. Ввиду континентальности, контрастности климата фиксация азота воздуха свободноживущими микроорганизмами в рассматриваемой земледельческой провинции весьма ограничена — до
5–25 кг/га в год.
О способности некоторых растений обогащать почву азотом было известно давно. В 1866 году Н.С. Воронин показал наличие бактерий, фиксирующих азот, в
1886 году — Гельригель отмечает их в клубеньках, а в
1888 году М. Бейринк выделил их в чистом виде и
назвал Bacterium radicicola. Теперь их относят к роду
Rhisobium. В 1897 году Ноббе и Гильтнер впервые применили бактериальные препараты для обработки семян бобовых.
Клубеньковые бактерии разделяются на много рас,
каждая раса соответствует определенной группе бобовых растений. В каждой расе есть эффективные и
недеятельные штаммы, причем последние препятствуют проникновению в корни эффективных. Растениехозяин должно иметь определенный набор ген, ответственных за узнавание соответствующих микроорганизмов. Так, в горохе найдены подобные гены — sym 1,
аллели которого «узнают» Rhisobium нужного штамма,
и аллели ген sym 2, предотвращающие инокуляцию
гороха спонтанной микрофлорой. В свою очередь в
штамме Rhisobium также имеются аллели ген, распознающие нужное растение-хозяина, и аллели, позволяю-
6Н12О6
могут ассимили-
169
щие растению-хозяину дать добро на симбиоз. Показана возможность усиления азотофиксации при сочетании ризотрофина (Risobium leguminosarum) с ризоограном (Agrobacterium radiobacter), мизорином
(Arthrobacter mysorens), ризоэнтерином (Enterobacter
aerogenes), флавобактерином (Flavobacterium sp) и с
другими. При обработке семян таким бактериальным
комплексом синергетические отношения усиливают
симбиотическую азотофиксацию. Ассоциативные бактерии также могут усваивать азот воздуха, они продуцируют физиологически активные вещества, усиливающие азотофиксацию, фотосинтез, транспорт продуктов ассимиляции и т. д.
Биологическая фиксация атмосферного азота свободноживущими микроорганизмами и клубеньковыми
бактериями ингибируется азотными удобрениями, она
ослаблена в кислой среде, при недостатке углеводов
(органического вещества), в анаэробной среде и низких температурах.
Атмосферный азот может фиксироваться в корнях
некоторых деревьев (Quercus robur — дуб, Alnus Gaertn —
ольха) в симбиозе с базидиомицетами, микоризой.
Биологическое накопление биогенных элементов в
корнеобитаемом слое означает их поглощение корня-
ми растений, как правило, из иллювиальных горизонтов почвенного профиля, которые в составе растительных остатков накапливаются в пахотном слое. Масштабы этого явления экспериментально не установлены,
хотя факт, например накопления гумуса, служит неоспоримым доказательством значения этого процесса.
Поступление элементов питания в почву в соста
ве атмосферных осадков. В Европейской части России
приход азота в составе атмосферных осадков оценивается в 4–5 кг/га, в том числе 68% аммиачного, 31%
нитратного и около 1% нитритного. Максимальные
значения содержания азотистых соединений в дождевой воде отмечается в апреле, июне и августе: 1–2 мг/л
аммонийного, 0,3 мг/л нитратного и 0,01–0,02 мг/л
нитритного. В среднем содержание азота может быть до
50,5 мг/л. Считается, что в отношении азота этот приход
эквивалентен вымыванию из лесной подстилки и из
170
Глава II
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]