Круговорот и баланс азота в земледелии
Образовавшиеся в почве минеральные соединения азота не накапливаются в ней в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в органическую форму. Внесение азотных удобрений не только значительно увеличивает содержание азота в почве, но и способствует усилению минерализации органического азота. Как показали исследования, проведенные с использованием стабильного изотопа азота 15N в полевых условиях растения усваивают из удобрений 40 – 50 % азота. В органической форме в почве закрепляется 10 – 20 % азота нитратных и 30 – 40 % аммиачных и аммонийных соединений и мочевины. Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому действие азотных удобрений в последействии незначительно – 2 – 3 %.
Для закрепления нитратного азота в почве особое значение имеет биологическое его поглощение (микроорганизмами, растениями). Нитраты могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками, дренажными водами. Из связных по гранулометрическому составу почв обычно вымывается с 1 га 3 – 5 кг, из легких, особенно если это пар, – до 20 – 30 кг. В основном теряется газообразный азот. Потери азота из аммиачных удобрений составляют около 20 %, нитратных – до 30 % от внесенного.
Для снижения потерь азота почвы и удобрений из-за денитрификации и вымывания нитратов используются ингибиторы, которые тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме.
При поверхностном внесении твердых аммонийных удобрений и мочевины могут теряться и аммиачные формы азота. Однако при своевременной и правильной заделке удобрений в почву потерь удается избежать.
Азот в почве пополняется за счет органических и минеральных удобрений, биологического азота, азота атмосферных осадков, азота, поступившего с семенами. В настоящее время в Беларуси с органическими удобрениями в почву возвращается только 35 – 40 % азота, выносимого возделываемыми культурами.
Связывание молекулярного азота воздуха происходит двумя способами. Небольшое количество связанного азота образуется в атмосфере во время грозовых разрядов и в форме азотистой и азотной кислот поступает в почву с осадками (до 3 – 5 кг на 1 га). Второй способ – усвоение азота воздуха свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами почвы (азотобактер, клостридиум), ризосферными микроорганизмами (ассоциативная азотфиксация), клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых. Свободноживущие азотфиксаторы ассимилируют в среднем до 5 – 6 кг азота на гектар. Улучшить азотное питание небобовых культур (кукуруза, пшеница, ячмень, рожь, многолетние злаковые травы и др.) способны ассоциативные азотфиксаторы, прежде всего такой их вид, как азоспирилла. Эти микроорганизмы размещаются в верхних слоях корней растений и в благоприятных условиях могут обеспечить до 45% потребности растений в азоте.
Значительно большее, чем ассоциативные азотфиксаторы, значение для пополнения почвы азотом имеют клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями. Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений. Так, клевер при хорошем урожае может накапливать 150 – 160 кг азота, люпин – 100 – 170, люцерна – 250 – 300 кг на 1 га. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных и корневых остатках и после их минерализации может использоваться культурами, следующими в севообороте после бобовых. В среднем на 1 т сена клевера в корневых и пожнивных остатках содержится и поступает в почву 10 – 15 кг /га азота, сена многолетних бобово-злаковых трав – 6, зеленой массы люпина – 1 кг/га азота. Поэтому вклад биологического азота в азотный баланс определяется площадью, занимаемой бобовыми культурами. Несмотря на значительную фиксацию азота бобовыми культурами, в среднем этот источник азотного питания пока невелик – 4 – 6 кг/га в расчете на всю посевную площадь страны. Небольшое количество азота (около 3 кг/га) поступает с семенами.
Суммарное поступление азота из всех источников не компенсирует выноса его урожаями сельскохозяйственных культур и потерь из почвы из-за вымывания и денитрификации. Поэтому для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции большое значение имеет внесение в почву минеральных азотных удобрений.
Содержание, формы фосфора в почвах и их превращение
Количество фосфора (Р2О5) в различных почвах колеблется от 0,03 – 0,06 (дерново-подзолистая песчаная) до 0,08 – 0,12 % (суглинистая), а общие запасы его в пахотном слое – от 0,9 до 3,6 т/га. Основное количество фосфора находится в почве в форме минеральных и органических соединений, недоступных для растений.
В материнских породах фосфор содержится в основном в форме фторапатита Ca3F(PО4)3 и гидроксилапатита Са3ОН(РО4)3. При разрушении этих первичных фосфорсодержащих минералов образуются вторичные минеральные соединения фосфора, представленные различными солями ортофосфорной кислоты. В кислых дерново-подзолистых почвах образуются слаборастворимые и малодоступные для растений фосфаты полуторных окислов AlPО4, и FePO4. В почвах, насыщенных основаниями, образуются преимущественно двух- и трехзамещенные фосфаты кальция. Они слаборастворимы в воде, но постепенно растворяются находящимися в почвенном растворе угольной, азотной и органическими кислотами, и поэтому их фосфор более доступен для растений, чем фосфор апатита и фосфатов полуторных окислов. Во всех почвах присутствуют в небольших количествах хорошо растворимые в воде однозамещенные фосфаты кальция и магния, а также одно- и двухзамещенные фосфаты калия, натрия и аммония, фосфор которых хорошо доступен растениям.
В результате деятельности растений и микроорганизмов в почвах накапливаются также органические соединения фосфора. Они представлены нуклеопротеидами, фитином, фосфатидами, сахарофосфатами и другими органическими соединениями, входящими в состав растений и тел микроорганизмов. Доля органических фосфатов в общем содержании Р2О5 в различных почвах колеблется от 10 (в дерново-подзолистых) до 50 % (в черноземах). Органические фосфаты могут усваиваться растениями только после их минерализации и отщепления фосфорной кислоты.
Процессы превращения недоступных для растений минеральных и органических соединений фосфора в усвояемую форму протекают очень медленно. Несмотря на большие общие запасы фосфора в почве, его доступных соединений содержится обычно мало и, чтобы получать высокие и устойчивые урожаи, необходимо вносить фосфорные удобрения.
Располагая информацией о содержании подвижных соединений фосфора, рассчитывают дозы фосфорных удобрений. Группировка почв по обеспеченности подвижных соединений фосфора приведена в табл. 3.3.
3.3. Группировка почв Беларуси по содержанию подвижного фосфора (по Кирсанову)
| Группы по содержанию Р2О5 | Содержание Р2О5 | ||
| мг/кг почвы | кг на 1 га в перегнойном горизонте (25 см) минеральных почв | ||
| минеральной | торфяной | ||
| I (очень низкое) | Менее 60 | Менее 200 | Менее 200 |
| II(низкое) | 61 – 100 | 201 – 300 | 201 – 300 |
| III(среднее) | 101 – 150 | 301 – 500 | 301 – 500 |
| IV(повышенное) | 151 – 250 | 501 – 800 | 501 – 900 |
| V(высокое) | 251 – 400 | 801 – 1200 | 901 – 1300 |
| VI(очень высокое, избыточное) | Более 400 | Более 1200 | Более 1300 |
За вегетационный период растения потребляют из 1 га почвы в среднем от 20 до 60 кг Р2О5, то есть значительно меньше, чем азота и калия. Больше фосфора содержится в зерне, чем в соломе, поэтому основная часть усвоенного фосфора вместе с зерном и другой товарной продукцией отчуждается с урожаем и не может быть возвращена в почву с навозом или корневыми и пожнивными остатками. Кроме того, если запасы азота в почве пополняются в результате фиксации азота воздуха, то в отношении фосфора нет других источников его пополнения, кроме фосфорных удобрений. Эти особенности круговорота фосфора определяют высокую потребность в фосфорных удобрениях и большое значение их для повышения урожаев сельскохозяйственных культур.
Содержание и формы калия в почве
Почти все почвы (кроме торфяных) содержат калия в 5 – 10 раз больше, чем азота и фосфора. Удельный вес этого элемента колеблется от 0,5 до 3 % в разных типах почв. Больше калия (2 – 2,5 %) содержат глинистые и суглинистые почвы, меньше (1 – 2 %) – песчаные и супесчаные. Торфяные почвы содержат только 0,03 – 1 % калия. Однако калий содержится в почвах главным образом в недоступной для растений форме.
По доступности растениям все соединения калия в почве можно распределить на пять групп: калий горных пород и минералов, водорастворимые соединения калия, обменный (поглощенный) калий, калий органического вещества, необменный или фиксированный калий.
Калий горных пород и минералов составляет 98 – 99 % общего количества калия в почве и представлен в виде труднорастворимых алюмосиликатов: полевых шпатов, слюд и гидрослюд. Он становится доступным растениям только после разрушения и превращения минералов в более простые минералы и соли и большого значения в питании растений не имеет.
Водорастворимые соединения калия (нитраты, фосфаты, сульфаты, хлориды, карбонаты) находятся в почвенном растворе. Доступны для растений, но содержатся в очень незначительных количествах: от 1 до 7 мг К2О в 1 кг почвы, или от 3 до 21 кг на 1 га.
Обменный, или поглощенный, калий представлен катионами калия в почвенном поглощающем комплексе. Катионы ППК и водорастворимые соединения калия – это основные источники калийного питания растений. Поэтому степень обеспеченности почв калием для питания растений принято выражать содержанием его в подвижной форме (сумма водорастворимого и обменного). Среднее содержание подвижных форм калия в дерново-подзолистых почвах Беларуси – 172 мг К2О в 1 кг почвы, или 516 кг/га.
В зависимости от степени обеспеченности подвижными формами калия почвы республики распределены на шесть групп (табл. 3.4).
3.4. Группировка почв Беларуси по содержанию подвижного калия
(по Кирсанову)
| Группы по содержанию К2О | Содержание К2О | ||
| мг/кг почвы | кг на 1 га в перегнойном горизонте (25 см) минеральных почв | ||
| минеральной | торфяной | ||
| I (очень низкое) | Менее 80 | Менее 200 | Менее 300 |
| II(низкое) | 81 – 140 | 201 – 400 | 301 – 400 |
| III(среднее) | 141 – 200 | 401 – 600 | 401 – 700 |
| IV(повышенное) | 201 – 300 | 601 – 1000 | 701 – 1000 |
| V(высокое) | 301 – 400 | 1001 – 1300 | 1001 – 1300 |
| VI(очень высокое, избыточное) | Более 400 | Более 1300 | Более 1300 |
Калий органического веществавходит в состав растительных остатков и микроорганизмов. Растениями непосредственно не усваивается, но в процессе минерализации органических веществ легко переходит в почвенный раствор и становится доступным для растений.
Необменный, или фиксированный, калий поглощается почвой, прочно удерживается кристаллической решеткой минералов и поэтому труднодоступен для растений.
Соотношение разных форм калия в почве зависит от ее типа и гранулометрического состава.
Круговорот калия в земледелии более благоприятный, чем фосфора. В отличие от фосфора и азота основная часть калия содержится в нетоварной части растениеводческой продукции – листьях, стеблях, соломе, используемых на корм и подстилку. Поэтому он почти весь с навозом возвращается в почву. Таким образом, рациональное использование растительных отходов и навоза очень важно для обеспечения почвы калием. Однако возделываемые культуры выносят калия значительно больше, чем фосфора, а иногда и азота. Кроме того, какое-то количество калия вымывается из почвы, а также теряется из-за эрозии.
Небольшое количество калия поступает в почву с семенами (до 2 кг на 1 га) и атмосферными осадками (до 7 кг). Однако ни этот калий, ни поступающий с органическими удобрениями не может компенсировать вынос его урожаем и потери из почвы. Поэтому для повышения плодородия почв, получения высоких урожаев особенно требовательных к этому элементу питания культур важную роль играют минеральные калийные удобрения. Наиболее эффективны последние на песчаных и супесчаных почвах, а также торфяных, содержащих мало калия.
Содержание кальция, магния и других макро- и микроэлементов
В почве
В среднем в дерново-подзолистых почвах валовое содержание кальция и магния составляет соответственно 0,7 и 0,5%. На доступные растениям обменные кальций и магний приходится основная часть всех поглощенных почвой катионов, при этом отношение кальция к магнию обычно равно 4:1.
Недостаток кальция и особенно магния чаще наблюдается на кислых почвах легкого гранулометрического состава, как из-за низкого содержания, так и из-за значительных потерь этих элементов в результате выщелачивания. Недостаток кальция и магния на кислых почвах устраняется внесением доломитовой муки.
Недостаток серы обычно испытывают требовательные к ней культуры семейства бобовых и капустных, возделываемые на легких почвах. Дефицит серы в таких почвах вызван низким содержанием органического вещества и вымыванием гипса.
Валовое содержание железав почвах в среднем составляет около 3 %. Кислые почвы содержат большое количество подвижных форм железа. В таких почвах наблюдается избыток железа. Недостаток железа характерен лишь для карбонатных щелочных почв, особенно бедных органическим веществом.
Общее содержание бора в разных типах почв колеблется от 1 – 2 до 50 – 80 мг/кг. Усвояемые соединения бора составляют обычно 3 – 10 % общего его количества. Меньше всего усвояемых соединений бора (0,3 – 0,7 мг/кг) содержат дерново-подзолистые почвы, особенно легкого гранулометрического состава (песчаные и супесчаные), а также известкованные почвы. После известкования уменьшается растворимость почвенных соединений бора и возрастает потребность в борных удобрениях.
Валовое содержание молибдена в разных почвах колеблется от 0,2 до 12 мг/кг. Подвижные формы молибдена составляют 5 – 10 % общего количества этого элемента, их особенно мало в кислых почвах, так как при кислой реакции молибден находится в недоступной для растений форме. Растения испытывают потребность в молибдене, если содержание его подвижных форм в почве менее 0,10 – 0,12 мг/кг. Известкование кислых почв увеличивает подвижность молибдена, его доступность для растений и уменьшает или полностью устраняет потребность в молибденовых удобрениях.
Содержание подвижных соединений меди в дерново-подзолистых почвах колеблется от 1,5 до 5,0 мг/кг. Бедны медью освоенные низинные торфяники и заболоченные почвы с нейтральной и щелочной реакцией, а также дерново-глеевые почвы. Применение медных удобрений на этих почвах – непременное условие получения высоких урожаев.
Валовое содержание цинка в почвах колеблется от 25 до 65 мг/кг. Содержание подвижного цинка в дерново-подзолистых почвах варьирует от 3 до 10 мг/кг. Бедны цинком карбонатные почвы, особенно «зафосфаченные» – удобрявшиеся высокими дозами фосфорных удобрений. На этих почвах чаще всего возникает потребность в цинковых удобрениях. Градация почв Беларуси по содержанию подвижных форм микроэлементов приведена в табл. 3.5.
3.5. Градация почв Беларуси по содержанию подвижных форм микроэлементов,
мг/кг сухой почвы
| Элементы | Вытяжка для определения подвижных форм | Группы (обеспеченность) | |||
| I (низкая) | II (средняя) | III (высокая | IV (избыточная, слабая степень загрязнения) | ||
| Cu | 1M HCl | 1,5 5,0 | 1,6 – 3,0 5,1 – 9,0 | 3,1 – 5,0 9,1 – 12,0 | 5,1 – 7,0 12,1 – 18,0 |
| Продолжение таблицы 3.5 | |||||
| Zn | 1M HCl | 3,0 10,0 | 3,1 – 5,1 101 – 15,0 | 5,1 – 10,0 15,1 – 30,0 | 101 – 16,0 30,1 – 50,0 |
| B | H2O | 0,3 1,0 | 0,31 – 0,7 1,1 – 2,0 | 0,71 – 1,0 2,1 – 3,0 | > 1,0 3,1 – 5,0 |
| Mn | 1M H2SO4 | 25 | 25,1 – 100 75,1 – 300 | 100,1 – 200 300,1 – 600 | > 200 600,1 – 900 |
| Co | 1M HNO3 | 1,0 3,0 | 1,1 – 2,5 3,1 – 7,5 | 2,51 – 3,0 7,51 – 9,0 | > 3,0 9,1 – 12,0 |
| Mo | Аксалатный буфер рН 3,3 | 0,10 0,30 | 0,11 – 0,20 0,31 – 0,60 | 0,21 – 0,40 0,61 – 1,20 | > 0,40 >1,20 |
* В числителе – минеральные почвы, в знаменателе – торфяные.