Мониторинг основных показателей почвенного плодородия и агрохимические условия эффективности применения удобрений

Еще одним показателем азотного состояния почв является количество усвояемого растениями азота в виде актуальных запасов. В состав актуальных запасов усвояемого азота обычно включают нитраты и обменно-поглощенный аммоний, присутствующие в почве на момент отбора проб и анализа. В почвах сельскохозяйственных ландшафтов содержание минерального азота даже в пределах одного подтипа под действием различных факторов может изменяться от очень низкого до очень высокого уровня.

Другим не менее важным показателем азотного состояния почв является активность почвенных ферментов, участвующих в азотном обмене, в частности протеазы и уреазы. Высокой протеазной активностью отличаются выщелоченные черноземы, средне-оподзоленные, типичные и карбонатные черноземы, низкой активностью характеризуются серые лесные почвы, обыкновенные и южные чернозёмы. Почвы Юга России характеризуются средней и высокой активностью уреазы.

Большую актуальность приобретает в последнее время поступление азота в почву за счет несимбиотической азотфиксации. Изучение уровня потенциальной азотфиксации может быть основой для прогнозирования уровня продуктивности сельскохозяйственных угодий и критерием оценки биологической активности почв. Минимальной азотфиксирующей активностью отличаются светло-серые лесные почвы (18-19 кг/га). Среднюю активность азотфиксации имеют серые, темно-серые лесные почвы, оподзоленные и южные черноземы (26-39 кг/га). Высокая азотфиксирующая активность у типичных, карбонатных и обыкновенных черноземов, а очень высокая - у выщелоченных черноземов (42-63 кг/га).

Эти показатели могут быть использованы для оценки азотного состояния почв различных агроценозов, их изменения под влиянием различных факторов (удобрения, окультуривание и т. п.), а также для оптимизации азотного режима и мониторинга.

Несмотря на утверждение, что аммонийный азот хорошо удерживается ППК и практически не вымывается из почвы, отмечается активная миграция его до глубины 1,5 м вниз и вверх по профилю почвы. Аммонифицирующая способность чернозёмов обычно не превышает 5,1-12,1%. Усвоение нитратного азота у пшеницы заканчивается к фазе выхода в трубку, а аммиачного - продолжается почти до уборки урожая вследствие медленного освобождения фиксированного аммония. Однако по доле участия в формировании урожая аммонийный азот часто уступает нитратному.

Исследованиями ряда ученых Северо-Кавказского региона показано, что в выщелоченном черноземе Западного Предкавказья водорастворимого аммония накапливается очень мало, часто он обнаруживается в виде следов. Это обусловлено его быстрой нитрификацией и поглощением растениями. В обыкновенном черноземе его 9,9-10,2 мг/100 г или около 5% от общего азота. Ранней весной и поздней осенью в пахотном и подпахотном слоях парового поля выщелоченного чернозема содержится 1,5-2,0 мг/100 г поглощенного аммония, содержание которого к осени снижается. Большая часть аммония, внесенного с удобрениями весной или осенью, нитрифицируется в течение 15-20 дней - причем в обыкновенном черноземе значительно быстрее, чем в выщелоченном.

Фиксированный аммоний медленно освобождается. В течение вегетации содержание его в почве уменьшается с 34,6 до 3,2%. Практически растения в равной степени используют обменный и фиксированный аммоний. То есть, фиксация азота способствует временному сохранению в почве внесенного азота удобрений, так как фиксированный аммоний остается доступным для растений.

Часть аммонийного азота связывается в необменной форме органическим веществом почвы. Аммиак связывается гуминовыми кислотами и производными лигнина в форму, устойчивую к микробиологическому разложению и кислотному гидролизу. Размеры такого связывания зависят от содержания гумуса в почве и азота в аммонийной форме. При внесении аммонийных удобрений в средних дозах оно невелико и не оказывает существенного влияния на доступность растениям азота.

Содержание в почве аммония и особенно нитратов изменяется за короткий период времени в значительных размерах, что затрудняет получение объективных данных по обеспеченности почвы и растений азотом. В настоящее время для многих регионов страны разработаны методы почвенной диагностики обеспеченности почвы азотом.

Совместными исследованиями СКНИПТИАП и КНИИСХ установлено, что на типичных и выщелоченных черноземах при содержании рано весной в слое 0-90 см 150 и более кг азота отпадает необходимость весенней подкормки посевов азотом. Имеющийся в почве нитратный азот, при наличии фосфора и калия, обеспечивает получение урожая в 5,8-7,8 т/га зерна озимой пшеницы. Это положение справедливо для озимой пшеницы на выщелоченных и типичных черноземах. На обыкновенных черноземах с большей нитрификационной способностью и меньшим увлажнением оно требует уточнения.

3.3 Фосфатный режим почв

В разных почвах содержится неодинаковое количество фосфора - от 0,01% Р₂О₅ в бедных песчаных до 0,20% в мощных высокогумусных почвах. Современные представления о фосфатном режиме почв основаны на том, что растения поглощают фосфор в основном в форме ортофосфатов (H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3-), содержащихся непосредственно в почвенном растворе. Переход фосфора в почвенный раствор из твердой фазы почвы характеризует ее буферную способность по отношению к этому элементу. Этот процесс динамичный и обусловлен целым рядом внешних и внутренних факторов к которым относятся: запас всех форм природных фосфатов в соединениях разной степени прочности; остаточное количество фосфора от ранее внесенных удобрений; емкость поглощения почв в отношении фосфат-ионов; условия, влияющие на процессы трансформации фосфатов (температура, влажность, реакция среды, катионный состав ППК и т. д.); деятельность корневых систем растений и другие факторы.

В длительных опытах в орошаемых севооборотах на предкавказском карбонатном тяжелосуглинистом черноземе и темнокаштановой тяжелосуглинистой почве Е. А. Зверевой была установлена зависимость урожая возделываемых культур от содержания подвижного фосфора в почве по методу Мачигина. В условиях достаточной обеспеченности азотом, калием и влагой зависимость была четкой и имела характер затухающих кривых. Установленное совпадение параметров оптимальной обеспеченности фосфором для равного урожая конкретной культуры в разные годы, свидетельствует о равнозначности для растений одного и того же количества свежевнесенного и остаточного фосфора удобрений, извлекаемого 1%-ным раствором углекислого аммония.

Обыкновенные черноземы Ставрополья имеют сравнительно высокую обеспеченность валовыми формами фосфора (0,11-0,16% в пахотном слое и 0,10-0,13% в подпахотном). Однако из-за высокой карбонатности этих почв, основная часть фосфорных соединений находится в труднодоступных для растений формах. Поэтому в зоне распространения обыкновенных черноземов (основной зернопроизводящей части края) мало почв с высоким содержанием подвижного фосфора, и около 15% пашни обыкновенных черноземов можно отнести к среднеобеспеченным. Обыкновенные сверхмощные, мощные и среднемощные черноземы содержат соответственно 18,2, 15,9 и 15,5 мг/кг почвы подвижного фосфора в пахотном слое (табл. 13).

Слитые темноцветные почвы содержат 0,12-0,15 % валового фосфора, 19,1 мг/кг подвижного, что несколько выше, чем в обыкновенных черноземах, что объясняется несколько повышенной подвижностью перегноя, находящегося в почве, насыщенностью почвенного поглощающего комплексы натрием и более интенсивной минерализацией органического вещества. Однако, большая часть фосфора труднодоступна для растений, т. к. связана с кальцием, железом и алюминием.

Таблица 13

Калий играет значительную роль в жизнедеятельности растений. По сравнению с другими элементами минерального питания изучение его физиологических функций затруднено тем, что выделить стабильный изотоп калия сложно. Установлено, что калий интенсифицирует процесс фотосинтеза. Это обусловлено способностью калия активизировать ферменты, участвующие в энергетическом переносе, построении АТФ, обеспечивающей энергией ассимиляцию углекислого газа. Калий ускоряет отток ассимилятов в запасающие органы, контролирует работу устьиц, тем самым, влияя на углеводный обмен в растениях. Значительное влияние калий оказывает и на азотный обмен в растениях. Он способствует образованию белков, стимулируя образование энергоносной АТФ, восстановление нитратов до NH₂^- группы, пополнение ассимилятами кетокарбоновых кислот в процессе синтеза аминокислот. С этим механизмом связано благоприятное действие калия на процесс азотфиксации у бобовых растений. Калий ослабляет неблагоприятное влияние засухи, способствуя эффективному использованию воды. Повышает устойчивость растений и к другим стрессовым ситуациям: низким температурам, засоленности почв. Эти свойства основываются на способности калия повышать осмотическое давление клеточного сока и влиять, таким образом, на биофизические свойства клеток. Кроме этого установлено, что калий повышает устойчивость растений к ряду заболеваний.

Содержание калия в земной коре составляет 2,5%. Валовое содержание калия в почвах может сильно колебаться и в основном зависит от состава минералов и почвообразующих процессов, а также от их гранулометрического состава. Почвы тяжелого гранулометрического состава могут фиксировать значительно больше калия, чем легкие. На поглотительную способность почвы в отношении калия значительное влияние оказывают ее влажность, содержание гумуса, реакция среды, емкость поглощения и степень насыщенности основаниями, биологическая активность почв, а также дозы и формы калийных удобрений. Природа, запасы и формы соединений почвенного калия, их изменения под воздействием различных факторов рассмотрены в работах целого ряда исследователей. Меньше всего калия содержится в песчаных почвах (0,03-0,7%), максимальные запасы его сконцентрированы в черноземах, каштановых и особенно в сероземных почвах. Формы почвенного калия подразделяются на водорастворимый, обменный и необменный, также выделяют органический калий и калий почвенного скелета. Последний составляет 90-95% валового количества.

В процессе выветривания ионы калия попадают в почвенный раствор, где часть из них мигрирует с ним, а часть вторично закрепляется твердой фазой, компенсируя избыточный отрицательный заряд. Такой заряд могут образовывать разнообразные вторичные минералы и органические соединения. В зависимости от местонахождения заряда на поверхности минерала или от распределения электронной плотности в органической молекуле, прочность связи калия в каждом случае будет различной. Все это определяет разнообразие позиций в твердой фазе с различным физико-химическим сродством к калию. При изменнении внешних условий обычно все формы калия подвержены динамике, и многие исследователи указывают на наличие подвижного равновесия между ними.

Для практических целей необходимо в первую очередь знать, в какой степени растения обеспечены калием. Это подразумевает наличие сведений о доступных растениям формах, т.е. непосредственно потребляемых и возможности пополнения их за счет других форм.

Большую часть калия растения поглощают из почвенного раствора, поэтому водорастворимую форму, как считают западно-европейские исследователи, следует считать показателем питания растений калием. Это мнение основано также на более тесной корреляции между урожаем и водорастворимой формой, чем урожаем и обменной формой (IPI, 1977).

Содержание водорастворимого калия в почвах незначительно и, по мнению исследователей (Пчелкин, 1966, Ониани, 1981 и др.), как фактор, характеризующий эффективное плодородие почв, существенного значения не имеет. Об обеспеченности растений калием судят по содержанию в почве его обменной формы.

В условиях Юга России рекомендации по применению калийных удобрений сводятся к необходимости компенсации выноса калия планируемым урожаем и увеличения содержания обменного калия в почве, т. е. повышения плодородия почв. Уровень доз зависит от отклонения фактического содержания обменного калия от оптимального и определяется на базе сведений об эффективности калийных удобрений в многолетних полевых опытах, проводимых в данном регионе.

Более детальные рекомендации по использованию калийных удобрений предложены нами (1996). Они базируются на установленном факте повышения содержания обменного калия при отрицательном балансе его при внесении доз калийных удобрений, не компенсирующих вынос растениями. Подход к определению доз калийных удобрений основывается на экспериментальном определении для конкретных условий той минимальной дозы, при которой будет обеспечиваться определенный уровень продуктивности севооборота, эффективное использование удобрений и непрерывное увеличение содержания калия в почве. Для этого на основе балансовых расчетов вводится показатель предельно допустимой дозы калия за ротацию севооборота - разница между средней годовой дозой и средним годовым выносом калия урожаем заданной величины. Учеными сделана попытка оценить размеры оптимальной дозы удобрений с различных позиций: физиологической, почвенной, агрохимической, экономической и учетом климатического фактора. При этом предельно допустимая доза устанавливается с учетом продуктивности севооборота (в зерновых единицах), гранулометрического состава (процент содержания физической глины), содержания обменного калия и оптимального количества калия в ППК, климатического показателя данного региона (коэффициент увлажнения, сумма температур более 10° С за год).

Безусловно, пути оптимизации калийного питания растений будут совершенствоваться в дальнейшем.

За последние годы произошли существенные изменения в обеспеченности почв Ставрополья обменным калием (табл. 17, 18).

В целом по краю, по результатам III тура обследования, содержание калия стабилизировалось на уровне 337 мг/кг почвы.

Однако количество почв с высоким содержанием калия уменьшилось по сравнению со II туром с 90% до 79%. Вместе с этим возросли площади низко обеспеченных калием почв. Если после II тура их насчитывалось 30,4 тыс. га, то по результатам III тура их стало уже более 100 тыс. га, или 2,6% от всей обследованной пашни.

За период с 1976 по 1986 годы отмечается снижение площадей почв, хорошо обеспеченных калием. По краю это составляет почти 500 тыс. га. Удельный вес таких почв, выраженный в процентах ко всей площади обследованной пашни, понизился в 18 районах из 26, причем в Александровском районе с 62 до 46%, Благодарненском - с 95 до 73%, Курском - с 95 до 78%, Новоселицком - с 85 до 47% и в Петровском - с 92 до 74%. Аналогичная картина наблюдалась в Нефтекумском, Левокумском, Арзгирском, Апанасенковском, Ипатовском и др. районах (табл. 19). Такое состояние сложилось вследствие того, что вынос калия сельскохозяйственными культурами не компенсировался вносимыми удобрениями, а это приводило к нарушению его баланса в почве.

Таблица 17