Удобрения и динамика почвенного плодородия

Для такого мобильного элемента, как азот, в диагностических целях необходимо с большей точностью определять срок наблюдения за его состоянием. Во время вегетации озимой пшеницы такого индикаторного срока установлено не было.

Проведенный корреляционный анализ по всем пунктам наблюдения показал, что чем больше содержание в почве продуктивной влаги, тем выше количество подвижного азота в почве.

Анализ динамики азота нитратов по звену севооборота (пар, озимая пшеница, озимая пшеница), свидетельствует о том, что на полях под вегетирующими растениями происходит резкое снижение его запасов к концу вегетации. В тоже время при отсутствии проективного покрытия культур идет постепенное накопление нитратов к концу периода парования или полупаровой обработки. Особенно это заметно для верхних горизонтов.

Таблица 11. Динамика N-NO3 в звене севооборота чистый пар - озимая пшеница - озимая пшеница

В круговорот азота вовлечен почти метровый слой почвы. При паровании происходит накопление нитратов по всему профилю и особенно в пахотных и подпахотных слоях. К началу весенней вегетации повышение запасов нитратного азота отмечается в большей степени на глубине 40-60 и 60-80см. По мере созревания растений происходит резкое ухудшение азотного режима метрового слоя почвы, что обусловлено как выносом этого элемента культурой, так и влагообеспеченностью почвы.

В течение ротации севооборота, его звеньев, периода вегетации отдельных культур, содержание основных элементов питания в пахотном слое почвы весьма динамично. Это зависит от погодных условий, интенсивности потребления их растениями, уровня применяемых удобрений.

Из соединений минерального азота наиболее динамично содержание нитратного азота (N-NO3). В черноземах и каштановых почвах максимум содержания нитратов под зерновыми культурами приходится на апрель, под пропашными - на вторую половину апреля - май. В дальнейшем содержание N-NO3 в связи с затуханием процессов и возрастающим потреблением его растениями снижается. К уборке содержание N-NO3 достигает минимума. На уровне содержания в почве нитратов основывается почвенная диагностика. В предпосевной период для озимой пшеницы оптимум содержания нитратов находится в пределах 25 и более мг/кг почвы.

В предпосевной период озимой пшеницы содержание NO3 существенно зависит от предшественников. Влияние предшественников на уровень накопления нитратов проявляется через оставляемые ими пожнивно-корневые остатки, характер потребления азота предшественником, продолжительность периода от уборки предшественника до посева озимой пшеницы, степень увлажнения и температурный режим почвы в этот период. По уровню накопления нитратов предшественники располагаются в следующем порядке: занятый пар - горох и другие бобовые - колосовые - кукуруза на силос - кукуруза на зерно - подсолнечник - сахарная свекла.

В условиях юга России к посеву озимой пшеницы в пахотном слое накапливается NO3 (мг/кг почвы): после горохо-овсяной смеси до 60, гороха _ 45-60, озимой пшеницы - 35-40, кукурузы - 30-40, подсолнечника, сахарной свеклы - 15-35 кг. Возможный после уборки колосовых, кукурузы, подсолнечника и сахарной свеклы острый дефицит нитратного азота предполагает внесение под одну из допосевных культиваций азотных удобрений. Влияние предшественников отчетливо сохраняется до массового кущения. Перед уборкой пшеницы содержание нитратов в слое почвы 0-20 см, независимо от предшественников, составляет 3-12 мг/кг.

Применение удобрений способствует улучшению азотного режима и, как следствие, лучшему росту и развитию сельскохозяйственных культур, большему накоплению сухого вещества, а в конечном итоге формированию высокого урожая.

Содержание NO3 в межфазный период посев - всходы озимой пшеницы, размещенной в севообороте, достигало: после горохо-овсяной смеси (занятой пар) без внесения удобрений - 48-50, при насыщенности севооборота 60 кг/га NPK + 2,5 т/га навоза - 58-63; при двойной насыщенности - 68-70, тройной - 75-81 мг/кг почвы в 0-20 см слое. Аналогичная картина просматривается и при выращивании озимой пшеницы после гороха, но при несколько меньших абсолютных показателях (70 мг/кг почвы).

После предшественника кукуруза на силос и озимая пшеница NO3 ко времени посева озимой пшеницы в пахотном слое без применения удобрений достигает 34-39 мг/кг. С внесением удобрений содержание его повышается до уровня не удобренного занятого пара и гороха. Это оказывает определяющее влияние на рост и развитие растений в осенний период.

В течение вегетации озимой пшеницы содержание нитратов в почве в связи с питанием растений снижается и перед уборкой колеблется в пределах 8-14 мг/кг почвы.

Доступный растениям аммоний в основном представлен обменной формой. Он содержится преимущественно в верхних слоях почвы и менее динамичен в течение вегетации сельскохозяйственных культур. В отличие от нитратов аммоний менее подвергается вымыванию в подпахотные горизонты.

Доля аммонийного азота в пахотном горизонте была более существенная по сравнению с N-NO3. Содержание N-NН4 под озимой пшеницей в фазу массовых всходов составляет: после горохо-овсяной смеси 39-43, гороха - 34-40, озимой пшеницы - 40-44, кукурузы на силос - 35-38 мг/кг. Под влиянием удобрений повышается содержание N-NН4 в почве. В течение вегетации снижение содержания N-NН4 происходит постепенно - не так резко, как N-NO3.

Природные запасы фосфора определяются содержанием его в материнских породах и характером почвообразовательного процесса. Среди неорганических соединений фосфора в почвах преобладают ортофосфаты кальция, алюминия и железа. При этом первая форма доминирует в почвах юга России. Содержание доступного растениям подвижного фосфора в каштановых почвах и черноземах колеблется в пределах 10-60 и более мг/кг почвы по Мачигину. Оптимальный уровень для формирования высокого урожая колеблется: пшеницы - 3,0-3,5, подсолнечника и гороха - 2,7-3,3, кукурузы - 2,5-3,0 мг/100 г почвы.

В отличие от азота интенсивное использование пашни в севооборотах Юга России с применением известных приемов повышения плодородия почвы не ведет к снижению валовых запасов фосфора. Так, на типичных мицеллярно-карбонатных черноземах в зоне достаточного увлажнения в 5-польном севообороте при разной насыщенности удобрениями (N60P60K60), независимо от способа использования пашни, в почве произошло недостоверное и равное по величине снижение запасов валового фосфора. В 8-польном севообороте этой же зоны при различных системах удобрений четкого влияния временного фактора на запасы фосфора, по сравнению с исходными, не установлено.

Аналогичные данные получены в 10-польном севообороте на обыкновенных черноземах ВНИИ кукурузы (бывшая Кабардино-Балкарская ГСХОС) в зоне недостаточного увлажнения. Наиболее четко проявляется тенденция к снижению запасов валового фосфора в полях, не получавших удобрений в течение более 30 лет и систематически орошавшихся. Орошение, как фактор интенсификации земледелия, положительно влияет на перевод фосфора из труднорастворимых соединений в доступные формы, поэтому и количество его как в севообороте, так и под монокультурой кукурузы уменьшается незначительно, что согласуется с ранее проведенными П.Е. Простаковым (1964) в этом севообороте исследованиями.

Стабильное содержание фосфора объясняется взаимодействием растений с почвой, вносимыми удобрениями и сопровождается увеличением подвижного фосфора на всю глубину 0-150 см слоя почвы. Если в севообороте с общепринятым использованием пашни в исходных образцах (1969 г.) содержание Р2О5 по профилю снижалось с17,5 в слое 0-20 до 3,4 мг/кг почвы в слое 140-150 см, то в течение более 10 лет произошло увеличение соответственно до 27,6-4,5 мг/кг почвы. За это же время в севообороте с беспрерывным использованием пашни в слое почвы 0-20 см содержание Р2О5 увеличилось более чем в 3 раза по сравнению с исходным (54 мг/кг почвы), в слое 140-150 см сохранилось на уровне исходного (3,0 мг/кг почвы).

Следовательно, агрохозяйственная деятельность человека положительно влияет на формирование фосфатного режима по всему почвенному профилю, заметно обогащает им подпахотный горизонт, т.е. фосфор не выносится из нижних горизонтов (как это принято думать) корневой системой, а наоборот, корневая система, обогащенная фосфором, положительно влияет на содержание Р2О5 во всем корнеобитаемом слое. Это происходит под влиянием вносимых удобрений, подкисления почвы и корневых выделений.

По содержанию подвижного фосфора удобряемые и не удобряемые поля 8-польного севооборота не различались между собой. Применение органо-минеральной системы удобрения, с внесением навоза в одно поле, повышает содержание подвижного фосфора в верхней части гумусового горизонта (0-20 см). Здесь по сравнению с не удобренными полями его оказалось больше на 6,6 мг/кг почвы. Очевидно, это является следствием большего содержания органического вещества в почве в связи с применением высоких доз навоза (50 т/га).

В зоне недостаточного увлажнения в неорошаемом 10-польном севообороте без применения удобрений, под влиянием более чем 30-летнего использования обыкновенных, на стыке с каштановыми почвами, мицеллярно-карбонатных черноземов, произошло уменьшение подвижного фосфора по сравнению с исходным в 1,5-2,0 раза, минеральная и органо-минеральная системы удобрения повысили содержание его в слое 0-20 см до 52, 76-65, 26 мг/кг.

Систематическое орошение, без применения удобрений, приводит к еще большему снижению содержания подвижного фосфора по сравнению с естественным увлажнением. Различные системы удобрения способствуют накоплению подвижного фосфора в почве орошаемого севооборота, наиболее эффективной оказывается органо-минеральная. Так, если в слое почвы 0-20 см на контроле содержится 8,75 мг/кг Р2О5, то при применении минеральной и органо-минеральной системы удобрения содержание подвижного фосфора увеличивается до 35, 75 и 51, 75 мг/кг почвы.

Аналогичное положение с подвижным фосфором в почве складывается под монокультурой кукурузы в орошаемых условиях.

Таким образом, интенсификация земледелия всеми известными приемами и, прежде всего, через посредство химизации, орошения и оптимальной механизации процессов земледелия, положительно сказывается на фосфорном режиме почвы, что подтверждается практикой.

История каждого участка по общей сумме внесенного в предшествующие годы фосфора позволяет прогнозировать обеспеченность почв этим элементом. Оптимальным уровнем содержания подвижного фосфора в черноземных почвах является 10-15 кг/100 г (по Чирикову), в карбонатных черноземах и каштановых почвах - 3,0-3,5 мг/100 г (по Мачигину). В первом случае для увеличения его содержания на 1 мг/100 г почвы сверх выноса требуется внести 50-70, во втором - 90-120 кг/га Р2О5.

Среди всех минеральных удобрений фосфорные оказывают наибольшее влияние на фосфатный режим почв. Поэтому применение фосфорных удобрений - одно из важнейших условий повышения плодородия почв и, следовательно, увеличения урожайности культур.

Доступность растениям вносимых с удобрениями фосфатов тесно связана с превращениями их в почве. На основании экспериментальных данных было выделено 4 группы процессов, влияющих на трансформацию фосфатов в почве:

- геохимические: проявляются через увеличение разнообразия форм фосфатов в почве и через вынос - привнос фосфора из зоны почвообразования путем разрушения первичных фосфорсодержащих минералов;

- биологические (высшие растения и низшие организмы): оцениваются через суммарное количество фосфора, поглощаемого растениями и микроорганизмами, т.е. через иммобилизацию фосфатов, т.к. например, большая часть фосфора одной популяции микроорганизмов используется после их отмирания, последующими популяциями;

- химические (включая биохимию и физхимию) - обусловлены в основном внешними условиями (гидротермические, ОВП, рН, концентрационные), значительно влияющими на состав подвижных фосфатов;

- антропогенные (удобрения и мелиоранты) - наиболее сильно проявляются при внесении фосфорсодержащих удобрений и в связи с отчуждением фосфора из почвы с урожаями.

Антропогенные воздействия на почву тесно связаны с процессом ретроградации вносимых фосфатов. Ряд авторов (Бабарина и др., 1987; Минеев и др., 1991) пришли к выводу, что ретроградация проявляется тем сильней, чем менее окультурена почва, т.е. чем меньше в почве подвижного фосфора, и связывается это с меньшей химической иммобилизацией фосфора на более окультуренных почвах.

Описывая графическое отображение процесса закрепления фосфатов в почве, Л.П. Антипина с соавторами (1990) выделяет три зоны (рис. 6).

Рисунок 3. Влияние возрастающих доз фосфорных удобрений на величину Р2О5 в почве (Y) и на урожайность яровой пшеницы (J): 1 зона - преобладание процесса поглощения фосфора твердой фазой почв и насыщение емкости до критического уровня; 2 зона - (разумного окультуривания) внесение удобрений сопровождается линейным ростом урожайности; 3 зона - дальнейший рост доз удобрений экономически не оправдан

Почва, как саморегулирующаяся система всегда стремится к равновесию, поэтому природные мобилизуемые и вносимые фосфаты вначале поглощаются ее твердой фазой. При этом химические методы не отмечают роста доступных фосфатов и концентрации (зона 1). Поток ионов фосфора в направлении твердой фазы продолжается до определенного критического уровня насыщенности фосфатной емкости почв, после чего часть фосфора удобрений начинает пополнять концентрацию фосфора в почвенном растворе. Такая концентрация называется критической. После ее наступления повышается эффективность и окупаемость удобрений. Линейный рост интенсивности сопровождается аналогичным ростом экономически оправданных прибавок урожая (зона 2). Это область экономического оптимума, зона разумного использования фосфорных удобрений. Дальнейшее вложение средств экономически не оправдано, т. к. не окупается стоимость прибавочной продукции. В почве начинается процесс зафосфачивания (зона 3), который заключается в накоплении в почвенных слоях остаточных фосфатов, не использованных растениями.

По мнению Ю.И. Касицкого (1983), остаточные фосфаты могут быть потреблены растениями практически нацело за 3-5 лет в модельных вегетационных и микрополевых опытах, а в значительно больший срок в полевых условиях, что связано с ограниченной позиционной доступностью для корневых систем продуктов реакций удобрения и почвы, обладающих слабой способностью к диффузии. В то же время наличие остаточных фосфатов ведет к снижению эффективности свежевнесенных фосфатов.

Установлено, что систематическое внесение возрастающих доз фосфорных удобрений способствует накоплению в почве, прежде всего, хорошо доступных растениям одно- и двузамещенных фосфатов кальция, а содержание трехзамещенных фосфатов кальция, железа и алюминия повышается незначительно. Наибольшее количество хорошо растворимых фосфатов образуется в типичном и выщелоченном черноземах. При систематическом применении органических удобрений (навоза) содержание подвижного фосфора возрастает. Это связано с тем, что поглощение фосфат-иона органическими соединениями сохраняет его в доступной для растений форме.

Как правило, содержание фосфора в почве выше весной, а к лету и осени, к концу вегетации растений снижается в 1,5-2 раза.

Это объясняется двумя причинами: потреблением его растениями и уменьшением влажности почвы, т.к. между содержанием влаги в почве и подвижных фосфатов имеется прямая зависимость. Поэтому под озимой пшеницей, посеянной по черному пару, содержание подвижных фосфатов выше, чем под озимой пшеницей после подсолнечника или кукурузы, находящейся в худших условиях влагообеспеченности.

К концу вегетации, по мере уменьшения влажности, в почве освобождаются активные места на поверхности коллоидных и других частиц, замещаемые фосфат-ионами. Фосфат-ионы в результате физико-химического взаимодействия также адсорбируются при высыхании почвы в местах растрескивания «гумусовой пленки». Следовательно, все приемы, обеспечивающие накопление и сохранение влаги в почве способствуют и накоплению усвояемых форм фосфатов.

Из фосфатов кальция во всех черноземах преобладают трех-основные. По данным Симакина (1983), наибольшее количество фосфатов этой формы - 30-33% от валового содержания имеется в карбонатном черноземе и меньше - 20-22% - в типичном и выщелоченном. Органофосфатов, относящихся к ближайшим резервам фосфора для растений, меньше в обыкновенных и больше в выщелоченных черноземах.

В.П. Суетовым (1978) в исследованиях, проведенных методом радиоактивных индикаторов, показано, что в выщелоченных и карбонатных черноземах при низких дозах внесения фосфорных удобрений поглощается 55-60% фосфора, а при высоких - 30-40%. Наиболее интенсивно этот процесс идет в первые минуты после внесения фосфорного удобрения и заканчивается на третьи - восьмые сутки. Доля связанных фосфатов увеличивается с повышением дозы удобрений, а наименьшая их ретроградация наступает при содержании в почве 30-50 мг/кг подвижных фосфатов, определяемых по методу Мачигина. Это соответствует повышенной и высокой обеспеченности почв фосфором.

В черноземах неиспользованные в год внесения фосфаты не превращаются в недоступные, а длительное время остаются в усвояемой, форме, и их слабое последействие часто объясняется недостатком доступного азота (Шконде, 1952; Носов, 1972).

Обыкновенные черноземы с большой способностью связывать фосфаты в менее подвижные формы обладают устойчивым длительным последействием фосфорных удобрений при внесении не менее 90 кг/га Р2О5. Устойчивое последействие фосфора установлено и на выщелоченных черноземах в условиях длительного стационарного опыта. При внесении фосфорного удобрения один раз в 2 года оно обеспечивало такие же приросты урожая, как и ежегодное (Симакин, Ширинян, 1979).

Большое значение для характеристики плодородия почв по содержанию подвижных форм фосфора имеют оптимальные сроки отбора почвенных образцов и факторы, влияющие на динамику его содержания в различных почвах в зависимости от климатических зон.

Исследованиями, проведенными агрохимцентром «Ставропольский» в течение трех лет в хозяйствах различных зон, показано, что динамика подвижных форм фосфора в почве под озимой пшеницей мало зависела от предшественника и влагообеспеченности почвы в период вегетации.

Таблица 12. Динамика подвижных форм фосфора под озимой пшеницей по разным предшественникам, кг/га

В среднем по всем пунктам исследований в период кущения количество подвижного фосфора в пахотном слое составляло 53 кг/га, во время трубкования - 55, колошения- 53 и в период полной спелости - 45 кг/га. Подобная закономерность отмечена и для метрового слоя почвы.

Таблица 13. Относительное содержание подвижных форм фосфора по фазам развития озимой пшеницы по разным предшественникам, % от содержания рано весной

Запас подвижного фосфора в почве, как в пахотном слое, так и метровом, за период вегетации изменялся незначительно - только к периоду полной спелости отмечено некоторое его уменьшение (в пределах 13%) относительно его запаса в ранневесенний срок отбора образцов почвы. Установлено, что значительная часть запаса подвижного фосфора (до 56-59%) сосредоточена в 40-сантиметровом слое. А естественное его снижение с глубиной не зависело от сроков отбора проб, климатической зоны и предшественника.

Таблица 14. Содержание Р2О5 в метровом слое почвы в зависимости от фазы развития озимой пшеницы по почвенно-климатическим зонам, кг/га