Земледелие с основами почвоведения и агрохимии

10.3.3 Внутрипочвенное орошение

Внутрипочвенное (подпочвенное) орошение (ВПО) - способ, при котором воду подают в корнеобитаемый слой по трубам - увлажнителям, прокладываемых в почве на глубине 40…60 см от поверхности земли. Через отверстия в трубах капиллярным путем вода поступает к корням растений, не увлажняя поверхность почвы. Это обеспечивает хорошую аэрацию, позволяет поддерживать оптимальную влажность почв без существенных колебаний в течение всего периода вегетации.

Внутрипочвенное орошение (ВПО) способствует сохранению структуры почвы за счет сокращения послеполивных обработок. Создаваемый внутрипочвенным орошением водно-температурный режим почвы способствует активизации микробиологических процессов. Благодаря преобладанию восходящего передвижения влаги, питательные вещества не вымываются из верхних горизонтов почвы. Отсутствие на поверхности почвы водопроводящей и водораспределительной сети создает лучшие условия для работы сельскохозяйственных машин.

При ВПО возможна полная механизация поливов, строгое нормирование подачи воды и растворенных в ней удобрений в соответствии с потребностями возделываемых культур. Питательные вещества и микроэлементы могут вноситься на протяжении всего вегетационного периода независимо от погодных условий. ВПО позволяет существенно сократить расход воды на испарение по сравнению с поверхностными способами полива, раньше наступает период созревания сельскохозяйственных культур.

Урожайность при ВПО выше, чем при самотечном поливе и дождевании, или такая же, но при уменьшении расхода оросительной воды на 30…50%. При внутрипочвенном орошении снижаются затраты труда на обработку посевов, внесение удобрений, борьбу с сорняками, так как оросительная вода поступает очищенной от взвесей и семян сорных растений.

ВПО наиболее полно отвечает санитарно-гигиеническим и ветеринарным требованиям, предъявляемым при использовании сточных вод и животноводческих стоков для полива сельскохозяйственных культур. При этом способе орошения полностью отсутствует контакт человека, животных и надземной части растений со сточной водой.

Системы ВПО применяют при выращивании высокодоходных культур (овощные и плодовые культуры, виноград, хлопчатник и др.) на почвах с хорошо выраженными капиллярными свойствами, на склонах с рыхлым почвенным покровом, подстилаемым слабоводопроницаемыми грунтами. На крупнозернистых, а также засоленных почвах ВПО не применяют.

Проектируют системы ВПО на участках со спокойным рельефом местности; по длине увлажнителей допускаются обратные уклоны с превышением на 5…10 см. Проектирование ведут по продольной схеме, располагая увлажнители по наибольшему уклону. Допускается уклон не более 0,01…0,02.

Строительство системы ВПО сравнительно дорого и окупается только через 3…6 лет, поэтому этот способ еще недостаточно распространен, хотя преимущества его очевидны.

По способу поступления воды в почву системы ВПО подразделяют на напорные, низконапорные и вакуумные.

В вакуумных системах вода поступает к растениям под действием сил поверхностного натяжения (по мере расходования воды в трубах - увлажнителях создается вакуум, вследствие чего поддерживается их наполнение), в безнапорных - вследствие капиллярного движения воды, в напорных - посредством искусственно создаваемого напора.

Самое широкое распространение находят стационарные низконапорные системы с перфорированными увлажнителями. Напор воды в голове увлажнителей принимается в пределах 30…120 см. Меньшие напоры не обеспечивают быстрого распространения воды в почвенном профиле, а большие вызывают появления воды на поверхности. Повышенные напоры (до 1,5 м) применяют для увлажнения верхнего слоя с целью появления всходов.

Для изготовления увлажнителей используются трубки из полиэтилена, гладкие или гофрированные, с внутренним диаметром 20…50 мм, толщиной стенок 1,5…2,0 мм, перфорированные. В перфорированных трубках диаметр отверстий должен быть 1,0…1,5 мм.

Для устранения оттока воды вглубь почв под увлажнителями устраивают водонепроницаемые экраны из полиэтиленовой пленки. Длина увлажнителей изменяется в зависимости от водно-физических свойств почв. Чем легче гранулометрический состав почв, тем короче увлажнители. На среднесуглинистых и глинистых почвах - 150…200 м, на легких - 100 м.

Расстояние между увлажнителями также зависит от гранулометрического состава почв, возделываемой культуры и колеблется в пределах 1…4 м. Производственными опытами установлено, что на среднесуглинистых и глинистых почвах для овощных и кормовых культур расстояние между увлажнителями должно быть в пределах 1,25…2 м, для хлопчатника - 1,2…1,5 м, для ягодников (смородина, крыжовник, малина) и виноградников - 2,5…3 м на расстоянии от куста 0,5…1,5 м, для плодовых (яблоня, груша) - 3…3,5 м на расстоянии 1,5…1,75 м от штамба дерева и 2,5…3,5 м между деревьями.

Вода для полива, сточные воды, животноводческие стоки должны удовлетворять следующим требованиям: размеры твердых частиц не должны превышать 1 мм; мутность ?0,04 г/л, минерализация ?1 г/л. При необходимости предусматриваются отстойники или очистные сооружения.

Поливные нормы при ВПО изменяются от 250 до 750 м³/га, а оросительная от 2400 до 5500 м³/га.

Основатель российской мелиоративной науки А.Н. Костяков также относил к этому способу орошения искусственное поднятие уровня пресных грунтовых вод (субирригация) и поддержание его на необходимой глубине. С целью регулирования уровня грунтовых вод могут проводиться шлюзование (подпор) сбросных, дренажных и оросительных каналов; подача оросительной воды по сильнофильтрующим каналам, а также по проложенным на небольшой глубине трубчатым увлажнителям; регулирование естественного оттока грунтовых вод; подпитывание артезианскими водами путем прорезания водопроницаемого слоя.

Основными условиями успешного применения субирригации являются: естественный или спланированный плоский безуклонный рельеф, однородный с хорошими капиллярными свойствами грунт, незасоленные почвогрунты и грунтовые воды, неглубокое залегание грунтовых вод или водоупора, выращивание влаголюбивых растений с глубокой корневой системой.

10.3.4 Капельное орошение

Капельное орошение - это способ локального увлажнения почвы, т.е. зоны непосредственного расположения корневой системы. При капельном орошении (КО) подача воды производится непосредственно растениям через специальные микроводовыпуски - капельницы с очень малыми расходами (4…20 л/час). При этом увлажняется только зона распространения корней, междурядья остаются сухими. Вместе с поливной водой при необходимости подаются удобрения. Раствор удобрений впрыскивается в магистральный трубопровод с помощью инжектора.

Важнейшее преимущество КО - большая экономия оросительной воды в результате существенного снижения потерь воды на фильтрацию за пределы корнеобитаемой зоны, испарение, поверхностный сток, а также из-за устранения неравномерности полива. Многочисленные опыты показали, что при капельном орошении хлопчатника, картофеля, томатов, огурцов, апельсинов, винограда и других культур оросительная норма снижается на 41…47% по сравнению с дождеванием и на 52…60% - с поверхностным способом орошения.

КО позволяет локально и в нужные сроки подавать питательные вещества. Это способствует более полному их усвоению и экономии удобрений по сравнению с поливом по бороздам на 44…57%, с дождеванием - на 30…44%. При КО практически не вносят гербициды, так как сухость междурядьев не способствует прорастанию сорняков.

Система КО экологически безопасна и применяется на землях с повышенными уклонами (до 0,35), при ограниченных запасах водных ресурсов, на малоплодородных (каменисто-песчаных) почвах, изрезанном рельефе, где традиционные способы орошения практически не применимы. Капельное орошение обеспечивает самый высокий коэффициент использования оросительной воды - 80…95% (при дождевании - 70…80%, при поверхностном орошении - 30…60%).

Капельное орошение имеет и ряд недостатков: сравнительно высокая первоначальная стоимость; нельзя регулировать микроклимат орошаемого поля; склонность пластмассовых трубопроводов к закупорке из-за малых диаметров, опасность загрязнения и засорения капельниц отложениями окиси железа и нерастворимых карбонатов, а следовательно, необходимость установки специальных фильтров для очистки воды; в перестройке системы при смене культур на поле; повреждение полимерных материалов грызунами.

Поливная норма при капельном орошении колеблется в пределах от 40 м³/га до 300 м³/га.

10.3.5 Аэрозольное (мелкодисперсное) дождевание

Мелкодисперсное дождевание (МДД) предназначено для увеличения влажности приземного слоя воздуха и уменьшения температуры листьев растений при неблагоприятных условиях внешней среды (воздушные засухи и суховеи). При МДД вода распыляется на мельчайшие капли размером 0,4…0,6 мм, которые хорошо удерживаются на листовой поверхности, оставаясь на них до полного испарения, охлаждая листовую поверхность и повышая влажность воздуха в среде растений.

Физиологическая сущность МДД заключается в устранении депрессии фотосинтеза и снижении расходов воды на транспирацию в жаркое время дня, что способствует оптимизации фитоклимата растений и повышению их урожайности.

КПД фотосинтетической деятельности растительного организма при МДД значительно выше, чем при существующих способах орошения. Максимальный КПД фотосинтеза можно получить только при определенной температуре воздуха. При температуре воздуха, превышающей для многих растений оптимальную (25⁰С), увеличить КПД фотосинтеза можно лишь охлаждением листового покрова. При МДД оптимальный водный режим сельскохозяйственных культур обеспечивается за счет более рационального использования и сохранения природных запасов воды в почве, естественных осадков и внекорневого водного питания растений в течение вегетации.

МДД следует проводить, когда температура воздуха превышает физиологический оптимум, условно его принимают за 25⁰С. Однако для различных культур он неодинаков. Например, для кукурузы он составляет 26…28⁰С, для картофеля 18…20, озимой пшеницы - более 25, винограда - 25…30, для сахарной свеклы 22…25, для капусты - 20⁰С.

В пасмурные, прохладные и дождливые дни МДД не эффективно и в ряде случаев может дать отрицательный результат.

Мелкодисперсное дождевание используется для повышения эффективности фотосинтеза, защиты растений от заморозков, борьбы с суховеями, вредителями, регенерации корневой системы вымерзших растений и др.

Разовая норма увлажнения при МДД находится в пределах 100…600 л/га в час в зависимости от температуры и влажности воздуха. При этом поливная норма колеблется в пределах 3…5 м³/га, а оросительная норма не превышает 180 м³/га, что в 2…16 раз меньше, чем при других способах орошения.

При МДД полностью отсутствует поверхностный сток, эрозия почвы и фильтрация в нижние слои почвы. Возможность снижения расхода воды на транспирацию обусловливает сохранение и более экономное расходование естественных запасов влаги в почве.

МДД наиболее эффективно при его сочетании с обычным дождеванием. Как самостоятельный способ орошения, МДД широкого распространения пока еще не получил из-за отсутствия специализированной дождевальной техники.

10.4 Общие сведения об осушении

Известно, что избыток воды в почве приводит к недостатку в ней кислорода почвенного воздуха и к развитию анаэробных бактерий, что замедляет процессы разложения органических остатков. Поэтому в переувлажненной почве мало минеральных солей, необходимых для питания растений, корни растений задыхаются от недостатка воздуха и отмирают, что ведет к гибели растений или сильному ослаблению роста.

При отсутствии кислорода в переувлажненной почве происходят процессы брожения, дающие, кроме углекислоты, ядовитые вещества, которые отравляют корни растений. Избыток воды разрушает структуру почвы, что создает менее благоприятный для растений водно-воздушный и питательный режимы в почве.

В целях регулирования водно-воздушного режима почв необходимо проведение осушительных мелиораций. Осушение - понимают искусственное удаление поверхностных и избыточных почвенных вод с определенных земельных территорий (избыточно увлажненные, заболоченные земли и болота) в целях повышения плодородия почв, соответствующего роста продуктивности сельскохозяйственных культур и вовлечения в сельскохозяйственный оборот малопродуктивных земель.

Общая площадь земель, нуждающихся в регулировании водного режима с помощью осушительных мелиораций составляет в Российской Федерации 165…182 млн. га, из них 71,4 млн. га земли сельскохозяйственного пользования.

Основная причина избыточного увлажнения почвы - атмосферные осадки, превышающие расход влаги на суммарное испарение. К причинам распространения переувлажненных почв так же относят: поверхностный сток воды; рельеф поверхности, особенно когда на избыточно увлажненных землях имеются бессточные понижения; наличие водонепроницаемых подпочвенных слоев, обусловливающих переувлажнение почвы на длительный период; выклинивание на поверхность подземных вод; длительное застаивание на поверхности вод весеннего паводка, а также антропогенные факторы. К антропогенным факторам относятся: подтопление и затопление земель при сооружении водохранилищ, шлюзов и других подпорных сооружений, а также неправильная эксплуатация систем орошения (потери воды); снижение дренирующей способности рек при их заиливании. К заболачиванию земель ведут ошибки в дорожном строительстве, применение тяжелой сельскохозяйственной техники (уплотнение почвы способствует застою воды в пахотном слое), а также вырубка леса и кустарника, что ухудшает биологический дренаж и др.

Влияние осушения на почву и урожай сельскохозяйственных культур. Осушение существенно изменяет свойства почвы. Уменьшая количество воды на поверхности и в порах почвы, осушение повышает содержание воздуха в ней, вместе с тем влияет на температуру, кислотность, содержание и деятельность почвенных микроорганизмов, повышает нитрификацию и разложение органического вещества, тем самым, создает условия для получения с этой почвы высокого урожая сельскохозяйственных культур.

Влияние осушения на аэрацию почвы состоит в том, что освободившиеся от воды поры почвы наполняются воздухом. Воздух проникает вглубь почвы. Вследствие этого активизируется газообмен между почвой и атмосферой, почвенный воздух обогащается свободным кислородом. Улучшение аэрации почвы вызывает усиление окислительных процессов, изменение ее теплового режима.

Температура осушаемой почвы повышается, а теплоемкость - понижается, уменьшается и теплопроводность. Осушение может вызвать повышение температуры почвы от 2 до 6⁰С, в зависимости от степени осушения и типа почв.

Осушение способствует образованию комковатой структуры, при которой почва легче освобождается от избытка воды и интенсивнее идет газообмен.

Осушение благоприятно влияет на условия и направление микробиологических процессов в почве. Анаэробные процессы разложения органического вещества сменяются аэробными, при которых все элементы минерализации органического вещества образуют окисные соединения (нитраты, фосфаты, сульфаты, воду, угольную кислоту), вместо вредных закисных соединений. В итоге почва обогащается питательными для растений веществами в подвижной и усвояемой форме, особенно нитратами. Процесс нитрификации протекает энергичнее, чем интенсивнее осушение.

Осушение дает возможность произвести обработку и посев культур на 10…14 суток раньше, чем без осушения, поэтому длительность вегетационного периода увеличивается и появляется большая возможность своевременного вызревания культур, чем без осушения.

При осушении создается возможность для более лучшего укоренения растений; растения не страдают от перегрева верхнего горизонта почвы, зона питания для них расширяется, полеглость менее вероятна. При осушении понижается влажность приземного слоя воздуха, что также важно для формирования и вызревания урожая. Уменьшается опасность заболевания растений (ржавчина, головня, черноножка, кила и др.), а также повреждение их морозами.

В целом, условия роста и развития растений на осушаемых землях по сравнению с неосушаемыми значительно улучшаются.

Прибавка урожая от осушения при высоком уровне ведения сельского хозяйства составляет: зерновых культур - 7…8 ц/га, картофеля - 45…60%, капусты - 100…125, кормовых корнеплодов - 140…160, многолетних трав на сено - 10…12 ц/га.

Большая урожайность полученная на осушенных почвах, такова, что затраты на осушение и сопутствующие ему культуртехнические и агротехнические приемы, окупаются прибавкой урожая в течение 5…6 лет.

Норма осушения. При оптимальном водном режиме почвы обеспечивается необходимое для сельскохозяйственных культур соотношение влаги, тепла и воздуха, создаются условия для аэробного процесса. Для возделывания зерновых колосовых в корнеобитаемом слое почвы должно содержаться воздуха не менее 20…30% и влаги 70…80% полной влагоемкости, для корнеплодов - соответственно 30…40 и 60…70%, для трав - 15…20 и 80…85%. Такие условия для осушаемой территории можно создать отводом избыточных поверхностных вод и понижением уровня грунтовых вод.

Влагоемкость и аэрация почвы на осушенных землях зависят от глубины залегания уровня грунтовых вод. Понижение грунтовых вод ниже поверхности земли, обеспечивающее влажность почвы, необходимую для произрастания сельскохозяйственных культур в вегетационный период, называется нормой осушения - Н. Норма осушения зависит от вида выращиваемых культур, климатических условий, свойств осушенной почвы и ее структуры, характера агротехники. Нормы осушения для различных сельскохозяйственных культур приведены в таблице 46.

Таблица 46

Средние значения нормы осушения, см

Культуры	Предпосевной период	Первый месяц вегетации	Весь период вегетации
Яровые зерновые	45-50	70-80	70-90
Озимые зерновые	70-80	70-80	70-90
Картофель, сахарная и кормовая свекла	70-80	85-100	90-100
Овощи, подсолнечник, кукуруза на силос	50-60	70-80	80-100
Травы на сено	40-50	50-60	60-75
Травы на выпас	50-60	65-70	70-80
Плодовые	80-100	90-110	100-120

В корнеобитаемом слое почвы осушенной территории в вегетационный период поддерживают влажность около 75…85% НВ и аэрацию 17…22%. В вегетационный период норма осушения по стадиям роста растений зависит от свойств осушенных почв, вида культур и сухости года. Ее увязывают с влажностью корнеобитаемого слоя почвы, осадками, испарением влаги растениями и почвой в период вегетации сельскохозяйственных культур.

При заданной (оптимальной) влажности в слое почвы 40 см с учетом осадков и испарения за вегетационный период норму осушения (м) определяют:

Н = 0,028 (100-г) Р/Е

где г - оптимальная влажность почвы в слое 0…40 см, % НВ; Р и Е - сумма осадков и испарение за вегетационный период, мм.

С изменением погоды происходят большие колебания уровня грунтовых вод. На осушаемых землях в годы с количеством осадков за май-август менее 250 мм уровень грунтовых вод к концу вегетационного периода снижается до 150…170 см против весеннего 50…60 см. На торфяных почвах это приводит к иссушению пахотного слоя, и в этом случае величина урожая зависит от режима осадков. Поэтому для поддержания нужной влажности почвы на осушаемых землях часто приходится проводить орошение (в период недостаточного выпадения естественных осадков) или регулировать уровень грунтовых вод путем закрытия сооружений на сети и прекращения оттока воды с осушаемой площади использования, т.е. проводить двухстороннее регулирование влажности почвы.

Для осушения избыточно увлажненных земель необходимо правильно установить тип их водного питания, т.е. комплекс взаимосвязанных природных условий, который определяет основные причины избыточного движения земель. Это позволит уменьшить продолжительность осушения и срок окупаемости затрат на осушение и освоение осушаемых земель.

В зависимости от основного источника переувлажнения почв выделяют следующие типы водного питания избыточного увлажненных земель:

Атмосферное водное питание, когда переувлажнение происходит на водораздельных с малыми уклонами плато и на повышенных равнинах со слабоводопроницаемыми почвами, где поверхностный сток превышает отток.

Скапливаясь в пониженных местах, вода, просачиваясь вглубь, образует в поверхностных горизонтах верховодку. Основная причина заболачивания надпойменных террас и нижней части склонов - неурегулированность поверхностного стока.

Грунтовый тип питания вызывается накоплением воды на неглубоко расположенных слабоводопроницаемых грунтах. Источниками питания являются атмосферные осадки, грунтовые воды, притекающие с соседних территорий, выклинивание грунтовых вод, реки, озера, пруды с высоким стоянием уровня воды.

Грунтово-напорное водное питание обычно встречается в нижней части склонов, когда водоносный пласт перекрывается водонепроницаемым грунтом. В водоносном горизонте создается напор грунтовой воды. Вода, просачиваясь через выше расположенный пласт, выходит на поверхность и при длительном стоянии заболачивает почву.

Намывное водное питание встречается в прирусловой и притеррасной части рек и заключается в периодическом затоплении территории паводковыми водами рек (аллювиальное питание) или стекающими водами с вышележащих водосборов (делювиальное питание). Такие воды богаты зольными питательные веществами.

Методы и способы осушения. В зависимости от типа водного питания переувлажненных земель и хозяйственного их использования применяются различные методы и способы осушения. Под методом понимают основные принципы регулирования водного режима земель, устраняющие причины избыточного содержания почвенной влаги.

К основным методам осушения относят:

1. Ускорение поверхностного стока или регулирование стока поверхностной воды. Этот метод применяется при атмосферном типе водного питания, когда почва переувлажняется атмосферными осадками или водами от разлива рек и ручьев (русловое водное питание). Он используется при осушении тяжелых почв, естественных луговых угодий и пастбищ. В случае выращивания пропашных культур просочившаяся с поверхности вода должна отводиться из пахотного слоя.

2. Метод ускорения внутреннего стока (понижение уровня грунтовых и грунтово-напорных вод) используется в тех случаях, когда почвы участка избыточно увлажняются грунтовыми или грунтово-напорными водами, выклинивающимися на поверхность или залегающими близко к дневной поверхности (грунтовое водное питание). Он применяется на почвах легкого гранулометрического состава и низинных торфяниках. Избыточная грунтовая вода удаляется через толщу подпахотного слоя.

3. Ограждение осушаемой территории от притока поверхностных или грунтовых вод. При поступлении воды, стекающей по поверхности с вышележащего водосбора (намывной тип водного питания), когда грунтовые воды на переувлажнение не влияют (залегают глубже 3 м), всю или часть притекающей воды на участок извне стараются перехватить и не допустить на осушаемую площадь, а сток избытка воды с самой территории ускорить.

4. Комбинированный метод (сочетание нескольких методов осушения) используется при смешанном водном питании.

5. Особые методы регулирования водного режима почв: обвалование русла рек, понижение уровня воды и увеличение пропускной способности рек, заиливание (повышение дна низин, кольматаж песчаных и галечниковых земель и т.д.).

С учетом метода осушения устанавливается тот или иной способ осушения. Под способом осушения понимают устройства, отводящие избыточную воду (каналы, дренаж, закрытые собиратели, ложбины, агромелиоративные мероприятия и др.). Это конкретная система гидромелиоративных мероприятий, направленная на реализацию методов осушения. Способ осушения назначают в соответствии с типом водного питания, выбранным методом, использованием земель и с учетом технических возможностей осуществления данного способа.

Для ускорения или регулирования стока поверхностных вод применяют способ устройства сети открытых или закрытых собирателей. необходимого понижения уровня грунтовых вод можно достичь системой открытых и закрытых дрен. Перехват вод, поступающих со смежных площадей, выполняют способом устройства оградительной сети (нагорных, ловчих каналов, береговых дрен), а для защиты территории от затопления применяют дамбы обвалования. Комбинированный способ выбирают тогда, когда предусматривается несколько методов осушения.

Вопросы для самопроверки знаний

1. Что такое с.-х. мелиорация?

2. На какие типы подразделяется с.-х. мелиорация?

3. В чем особенность фитомелиораций?

4. Что такое орошение и на какие виды оно различается?

5. В чем отличие регулярного орошения от нерегулярного?

6. Каково влияние орошения на почву и микроклимат?

7. Какая разница между поливной и оросительной нормой?

8. Что такое режим орошения?

9. Перечислите факторы, влияющие на режим орошения?

10. Какие вы знаете методы определения сроков полива?

11. Чем отличается способ орошения от техники полива?

12. Какие вы знаете способы орошения сельскохозяйственных культур?

13. Перечислите факторы, которые надо учитывать при выборе способа орошения?

14. Чем отличаются поливы затоплением по бороздам и по полосам?

15. Какие культуры поливают затоплением?

16. В чем сущность дождевания, его преимущества и недостатки?

17. В чем заключается главное требование к дождеванию?

18. Чем отличаются короткоструйные, среднеструйные и дальнеструйные дождевальные машины?

19. За счет чего увлажняется почва при внутрипочвенном орошении?

20. Сущность капельного орошения, его преимущества и недостатки.

21 Какой способ орошения предназначен для регулирования микроклимата орошаемого поля?

22. Что вы понимаете под осушением?

23. Каково влияние осушения на свойства почвы?

24. Что такое норма осушения и отчего она зависит?

25. Перечислите типы водного питания и их основные различия.

26. В чем отличие метода осушения от способа осушения?

ЧАСТЬ 3. ОСНОВЫ АГРОХИМИИ

Глава 11. Питание растений и классификация удобрений

11.1 Химический состав и питание растений

Агрохимия - наука о взаимодействии удобрений, почвы и растений, круговороте веществ в земледелии, рациональном и экологически безопасном применении удобрений.

Внесение удобрений позволяет вводить в круговорот веществ новые количества элементов питания растений, а применение навоза и других отходов животноводства и растениеводства - повторно использовать часть питательных веществ, уже входивших в состав предыдущих урожаев.

Главная цель применения удобрений - улучшение питания растений. Изучение питания сельскохозяйственных растений всегда было одной из важнейших задач агрохимии. В задачу агрохимии входят, кроме того, изучение и разработка наиболее эффективных методов регулирования питания и обмена веществ в растениях внесением удобрений для повышения урожая и улучшения его качества.

Первый объект исследования в агрохимии - растение. При изучении питания растений и разработке способов его регулирования с помощью удобрений, необходимо учитывать также особенности биологии и агротехники отдельных культур. Здесь отмечается связь агрохимии с растениеводством.

Второй объект исследования в агрохимии - почва. Изучение содержания и динамики питательных веществ в почве, их доступность растениям, разнообразных процессов превращения удобрений в почве, их действия на ее свойства - важный раздел агрохимии.

И наконец, третий объект агрохимии - сами удобрения; изучая их состав, свойства и эффективность, агрохимия связана не только с сельскохозяйственным производством, но и с химической промышленностью.

«Изучение взаимоотношений между растением, почвой и удобрением - писал Д.Н. Прянишников - всегда являлось главной задачей агрохимии».

Агрохимия - научная основа интенсификации земледелия с помощью удобрений, которая наряду с мелиорацией земель и комплексной механизацией определяет научно-технический прогресс в развитии АПК, служит одним из основных путей повышения плодородия почвы и продуктивности культур.

Питание растений - сложный процесс обмена веществ между растениями и окружающей средой. Этот переход веществ в растение из воздуха (при ассимиляции СО₂ в процессе фотосинтеза) и поглощение из почвы основной массы доступных минеральных соединений через корневую систему, и, в то же время, выведение ряда веществ.

Растение строит свой организм из определенных химических элементов, находящихся в окружающей среде. В состав растения входят вода и сухое вещество. В большинстве вегетативных органов сельскохозяйственных культур содержание воды составляет 70…95%, а в семенах - 5…15%. В состав сухого вещества растений входят 90…95% органических соединений и 5…10% минеральных солей. Основные органические соединения в растениях представлены белками и другими азотистыми веществами, углеводами и жирами, содержание которых в основном определяет количество урожая. Например, высокое содержание клетчатки в сене ухудшает его кормовые свойства, в то же время такие культуры, как хлопчатник, лен, коноплю, выращивают ради получения волокна, которое состоит в основном из клетчатки.

Качество сахарной свеклы оценивают по содержанию сахарозы. Качество урожая картофеля оценивают по содержанию углевода - крахмала. Масличные культуры возделывают для получения жиров - растительных масел, используемых как для пищевых, так и для промышленных целей.

Сухое вещество растений имеет в среднем следующий элементарный состав (% по массе), углерод - 45, кислород - 42, водород - 6,5, азот - 1,5 и другие элементы - 5,0. Всего в составе растений обнаружено более 80 химических элементов, из которых 20 элементов считаются, безусловно необходимыми элементами питания и 12 - считаются условно необходимыми. Без углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы, железа, бора, меди, марганца, цинка, молибдена, ванадия, кобальта, йода, натрия и хлора невозможен нормальный ход жизненных процессов и завершение полного цикла развития растений. По 12 условно необходимым элементам (кремний, алюминий, фтор, литий, серебро, титан и др.) имеются сведения об их положительном влиянии на рост и развитие растений

На долю четырех элементов - С, О, Н и N приходится 95% сухого вещества, поэтому их называют органогенными, т.к. из них состоит основная масса органических соединений растения. При сжигании растительного материала органогенные элементы улетучиваются в виде газообразных соединений и паров воды, а в золе остаются преимущественно в виде оксидов многочисленные зольные элементы, на долю которых приходится в среднем около 5% массы сухого вещества.

Азот и такие зольные элементы, как фосфор, калий, сера, кальций, магний и железо, содержащиеся в растениях в относительно больших количествах, относятся к макроэлементам. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности растениям необходимы в небольших количествах бор, марганец, цинк, молибден, кобальт и др., которые относят к микроэлементам.

Несмотря на резкие отличия в количественной потребности, функции каждого элемента строго специфичны, ни один элемент не может быть заменен другим. Недостаток любого макро- или микроэлемента приводит к нарушению обмена веществ и физиологических процессов у растений, ухудшению их роста и развития, снижению урожая и его качества.

Азот входит в состав белков, ферментов, нуклеиновых кислот, хлорофилла, витаминов, алкалоидов.

Уровень азотного питания определяет размеры и интенсивность синтеза белка и других азотистых органических соединений в растениях и, следовательно, ростовых процессов. Недостаток азота особенно резко сказывается на росте вегетативных органов. Слабое формирование фотосинтезирующего листового и стеблевого аппарата вследствие дефицита азота, в свою очередь, ограничивает образование органов плодоношения и ведет к снижению урожая и уменьшению количества белка в продукции.

Характерные признаки азотного голодания - торможение роста вегетативных органов растений и появление бледно-зеленой или даже желто-зеленой окраски листьев из-за нарушения образования хлорофилла. Признаки его недостатка проявляются сначала на нижних листьях. Пожелтение начинается с жилок листа и распространяется к краям листовой пластинки. При остром и длительном азотном голодании бледно-зеленая окраска листьев переходит в различные тона желтого, оранжевого, красного цвета, листья высыхают и преждевременно отмирают.

При нормальном снабжении азотом листья темно-зеленые, растения хорошо кустятся, формируют мощный ассимиляционный стебле-листовой аппарат, полноценные репродуктивные органы. Избыточное, особенно одностороннее, снабжение растений азотом может вызвать замедление их развития (созревания) и ухудшить структуру урожая. Растения образуют большую вегетативную массу в ущерб товарной части урожая. У корне- и клубнеплодов избыток азота может привести к израстанию в ботву, а у зерновых и льна - к полеганию посевов.

У картофеля снижается содержание крахмала, в овощной и бахчевой продукции и кормах накапливаются потенциально опасные для человека и животных количества нитратов.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, которые участвуют в самых важных процессах жизнедеятельности организмов - синтезе белка, росте и размножении, передаче наследственных свойств. Нуклеиновые кислоты образуют комплексы с белками - нуклеопротеиды, участвующие в построении цитоплазмы и ядра клеток. Фосфор входит в состав фосфатидов, которые образуют белково-липидные клеточные мембраны и регулируют их проницаемость для различных веществ. Значительное количество фосфора в растениях находится в составе фитина - запасного вещества семени, используемого как источник этого элемента во время прорастания. Важная группа фосфорорганических соединений в тканях растений - сахарофосфаты, образующиеся в процессах фотосинтеза, синтеза и распада углеводов. Фосфор входит также в состав витаминов и многих ферментов.

Фосфор имеет большое значение в энергетическом обмене и в разнообразных процессах обмена веществ в растительных организмах. Он участвует в углеводном и азотном обмене, в процессах фотосинтеза, дыхания и брожения.

Растения наиболее чувствительны к недостатку фосфора в самом раннем возрасте, когда их слаборазвитая корневая система обладает низкой усвояющей способностью. Отрицательное действие недостатка фосфора в этот период не может быть исправлено последующим даже обильным фосфорным питанием.

Важную роль играет обеспечение растений фосфором и в период формирования репродуктивных органов. Его недостаток в этот период тормозит развитие и задерживает созревание растений, вызывает снижение урожая и ухудшение качества продукции.

При недостатке фосфора растения резко замедляют рост, листья их приобретают (сначала с краев, а затем по всей поверхности) серо-зеленую, пурпурную или красно-фиолетовую окраску. У зерновых злаков при дефиците фосфора уменьшается кущение и образование плодоносных стеблей. Признаки фосфорного голодания обычно проявляются уже в начальный период развития растений, когда они имеют слаборазвитую корневую систему и не способны усваивать труднорастворимые фосфаты почвы. Поэтому рядковое предпосевное внесение фосфорных удобрений обеспечивает значительную прибавку урожайности.

Калий. Физиологическая роль этого элемента в растении весьма многогранна. Калий сосредоточивается в наиболее молодых жизнедеятельных частях растений, его много в пыльце. Он способствует нормальному течению фотосинтеза, передвижению углеводов (сахаров, крахмала), их накоплению в продуктивной части урожая, особенно в картофеле, корнеплодах.

Калий способствует синтезу белков, особенно при питании растений аммиачной формой азота, повышает зимостойкость культур. Растения, обеспеченные калием, лучше переносят недостаток воды при кратковременных засухах. Калий увеличивает прочность стеблей зерновых культур и уменьшает их полегаемость (при одинаковых условиях освещенности), повышает стойкость растений против некоторых заболеваний.

При недостатке калия развитие репродуктивных органов угнетается - задерживается развитие бутонов и зачаточных соцветий, зерно получается щуплым, с пониженной всхожестью.

Внешние признаки калийного голодания проявляются прежде всего на старых листьях. Это выражается в побурении краев листовых пластинок - «краевой запад».

Особенно часто недостаток калия проявляется при возделывании картофеля, корнеплодов, капусты, силосных культур и многолетних трав. Зерновые злаки менее чувствительны к недостатку калия. Но и они при остром дефиците калия плохо кустятся, междоузлия стеблей укорачиваются, а листья, особенно нижние, увядают даже при достаточном количестве влаги в почве.

Кальций играет важную роль в фотосинтезе и передвижении углеводов, в процессах усвоения азота растениями. Он участвует в формировании кисточных оболочек. Недостаток кальция сказывается, прежде всего, на состоянии корневой системы растений, т.к. замедляется рост корней, не образуются корневые волоски и корни загнивают.

Магний входит в состав хлорофилла и следовательно участвует в фиксации СО₂, участвует в передвижении фосфора в растениях и углеводном обмене. При недостатке магния снижается содержание хлорофилла и развивается мезжилковый хлороз.

Сера имеет важное значение в жизни растений. Основное количество ее находится в растительных белках и других органических соединениях - ферментах, витаминах, горчичных и чесночных маслах. Сера принимает участие в азотном, углеводном обмене растений и процессе дыхания, синтезе жиров.

Железо входит в состав окислительно-восстановительных ферментов растений и участвует в синтезе хлорофилла, процессах дыхания и обмена веществ. При недостатке железа, особенно у винограда и плодовых деревьев, развивается хлороз. Листья теряют зеленую окраску, затем белеют и преждевременно опадают.

Марганец входит в состав окислительно-восстановительных ферментов, участвующих в процессах дыхания, фотосинтеза, углеводного и азотного обмена растений. Он играет важную роль в усвоении нитратного и аммонийного азота растениями.

Самый характерный симптом марганцевого голодания - точечный хлороз листьев. На листовых пластинках между жилками появляются мелкие желтые хлоротичные пятна, затем пораженные участки отмирают.

Медь также входит в состав целого ряда окислительно-восстановительных ферментов и принимает участие в процессах фотосинтеза, углеводного и белкового обмена. При недостатке меди резко снижается урожай, а при остром медном голодании плодоношение полностью отсутствует.

Бор сильно влияет на углеводный, белковый и нуклеиновый обмен и другие биохимические процессы в растениях. При его недостатке нарушаются синтез и особенно передвижение углеводов, формирование репродуктивных органов, оплодотворение и плодоношение.

Молибдену принадлежит исключительная роль в азотном питании растений. Он участвует в процессах фиксации молекулярного азота и восстановлении нитратов в растениях. Внешние признаки недостатка молибдена сходны с признаками азотного голодания - резко тормозится рост растений, вследствие нарушения синтеза хлорофилла они приобретают бледно-зеленую окраску.

Цинк оказывает многостороннее действие на обмен энергии и веществ в растениях, так как входит в состав ферментов и принимает участие в синтезе ростовых веществ - ауксинов. Специфические признаки цинкового голодания - задержка роста междоузлий, появление хлороза и мелколиственности, развитие розеточности.

Кобальт - микроэлемент, необходимый для биологической фиксации молекулярного азота, и компонент витамина В₁₂. Недостаток кобальта может проявляться, прежде всего, у бобовых культур. При низком содержании кобальта в кормах у животных развивается анемия, ухудшается аппетит и значительно снижается продуктивность.

В зависимости от способов поступления элементов питания в растения выделяют следующие типа питания: автотрофный и симбиотропный.

Автотрофный тип. В большинстве случаев у растений преобладает этот тип питания (от греч. trophe - пища), т.е. самостоятельное обеспечение неорганическими элементами, азотом почвы и углекислым газом, из которых синтезируются органические вещества. Автотрофные организмы не нуждаются в поступлении извне готовых органических веществ, а в процессе углеродного питания (фотосинтеза) из углерода СО₂ воздуха, осуществляют их первичный синтез, т.е. заново создают органические соединения.

Симбиотропный тип. При этом типе питания высшее растение тесно сожительствует с другими организмами (симбионтами). Здесь наблюдается взаимное использование продуктов обмена веществ в процессе питания.

При симбиозе высшего растения с грибами устанавливается микотрофный тип питания. Микориза гриба обеспечивает высшее растение водой, растворенными в ней минеральными солями и иными веществами; грибы же используют углеводы и другие органические соединения, синтезируемые высшим растением.

При бактериотрофном типе питания осуществляется симбиоз, например клубеньковых бактерий (ризобиум) с базовыми растениями. При создании оптимальных условий, обеспечивающих эффективный симбиоз, величина биологической фиксации азота достигает нескольких сотен килограммов на 1 га в год. Установление оптимального соотношения биологического и технического азота позволяет правильно сбалансировать круговорот этого элемента в земледелии и не вызвать нарушения равновесия в окружающей среде, т.е. более успешно решать экологические проблемы агрохимии азота.

Питательные вещества поступают в растения через корни и листья. Поэтому различают воздушный и корневой виды питания.

Воздушное питание (фотосинтез) - основной процесс, приводящий к образованию органических веществ в растениях. При фотосинтезе солнечная энергия в зеленых частях растений, содержащих хлорофилл, превращается в химическую энергию, которая используется на синтез углеводов из углекислого газа и воды.

При фотосинтезе растения усваивают СО₂, поступивший через листья из атмосферы. Лишь небольшая часть СО₂ (до 5% общего потребления) может поглощаться корнями растений. Через листья могут усваивать серу в виде SО₂ из атмосферы, а также азот и зольные элементы из водных растворов при некорневых подкормках. Однако в естественных условиях углеродное питание осуществляется главным образом через листья, а основным путем поступления в растения воды, азота и зольных элементов служит корневое питание.

Корневое питание. Азот и зольные элементы поглощаются из почвы деятельной поверхностью корневой системы растений в виде ионов (анионов и катионов). Растения усваивают ионы не только из почвенного раствора, но и ионы, поглощенные коллоидами. Более того, растения активно (благодаря растворяющей способности корневых выделений, включающих угольную кислоту, органические кислоты и аминокислоты) воздействуют на твердую фазу почвы, переводя необходимые питательные вещества в доступную форму.

Эти виды питания растений тесно связаны. Например, недостаток питательных веществ в почве задерживает образование органических соединений в листьях, что, в свою очередь, тормозит рост и развитие растений, снижает их продуктивность.

Минеральное питание - один из наиболее доступных факторов регулирования жизнедеятельности растений. Поэтому в настоящее время главная задача агрохимиков - своевременное и направленное воздействие через процессы корневого питания с помощью удобрений на ход формирования урожая.

Регулировать питательный режим почвы можно путем вовлечения в земледельческий круговорот дополнительных количеств азота путем введения в севооборот бобовых культур и прежде всего многолетних трав (клевер, люцерна). Максимально возможное использование биологического азота в севообороте за счет симбиотической азотфиксации многолетними бобовыми травами, промежуточными, уплотняющими и пожнивными посевами бобовых сидератов, зерновыми бобовыми культурами и бобовыми компонентами парозанимающих или самостоятельных посевов однолетних бобово-мятликовых смесей - важное условие улучшения баланса азота в земледелии, повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. Использование биологического азота является действенным агроэкологическим средством, позволяющим снизить применение минеральных азотных удобрений.

Не последнее место в системе мероприятий по регулированию питательного режима занимают приемы химической мелиорации земель (известкование кислых почв, гипсование солонцов). В данном случае речь идет об улучшении физико-химических свойств почвы, что в свою очередь, повышает доступность растениям запасов питательных веществ и повышает биологическую активность почвы; улучшает ее водно-физические свойства.

На почвах с большими валовыми запасами элементов питания растений (черноземы, пойменные земли) пищевой режим может быть значительно улучшен рациональной механической обработкой.

11.2 Классификация удобрений

Под удобрениями - понимают вещества, предназначенные для улучшения питания растений и повышения плодородия почв в целях увеличения урожая сельскохозяйственных растений и улучшения качества получаемой продукции.

По характеру действия на почву и растения удобрения делятся на прямодействующие и косвеннодействующие (рис. 36).

Прямодействующие содержат необходимые растениям питательные элементы и применяются для улучшения питания сельскохозяйственных культур. К этой группе относятся азотные, фосфорные и другие удобрения. Косвеннодействующие применяют для улучшения свойств почвы, изменения реакции почвенного раствора и усиления процессов мобилизации, имеющихся в почве питательных веществ, т.е. они оказывают косвенное воздействие на условия питания растений. К косвенно действующим удобрениям относят используемые для химической мелиорации почв известковые и гипсовые удобрения, а также бактериальные удобрения, способствующие усилению биологических процессов в почвах.

В зависимости от количества содержащихся в удобрениях элементов питания они делятся на простые (односторонние), содержащие только один элемент питания (или азот, или фосфор, или калий, или микроэлемент) и комплексные (многосторонние), содержащие два и более элементов питания.

Рис. 36. Классификация удобрений

Комплексные удобрения по химическому составу подразделяются на минеральные и органические. Минеральные по составу и способу производства делят на сложные, комбинированные и смешанные. Органические удобрения содержат большую группу элементов питания и являются либо продуктами животного происхождения (навоз, навозная жижа, птичий помет), либо растительного происхождения (торф, сидераты, солома). В отдельную группу органических удобрений выделяют сапропель (отложения пресноводных озер и прудов), компосты, осадки сточных вод, бытовые отходы и др.

По способу производства и методу получения удобрения подразделяются на промышленные и местные. К промышленным относятся почти все минеральные удобрения, которые получают в результате размола или химической переработки агроруд на специальных химических заводах, а также синтетические продукты азотной промышленности, побочные продукты химических производств, выпускаемые промышленным способом органические и органо-минеральные удобрения. Сюда же условно можно отнести и бактериальные удобрения - препараты, получаемые на заводах при размножении определенных видов микроорганизмов.

Местные удобрения получают на местах их использования, в самих хозяйствах или вблизи них. К таким удобрениям относят, прежде всего, различные органические удобрения (навоз, навозная жижа, птичий помет, различные компосты, торф, прудовый ил, зеленое удобрение - сидерат и пр.), местные известковые материалы, отходы металлургической и других видов промышленности, используемые в сельском хозяйстве вблизи мест соответствующих производств.

Минеральные удобрения разделяют по видам питательных веществ на азотные, фосфорные, калийные, цинковые и т.д. А каждый вид удобрения представлен в зависимости от химического состава формами минеральных удобрений. Так, азотные удобрения (вид удобрения) выпускают в различных формах (аммиачная селитра, мочевина, безводный аммиак, сульфат аммония и др.).

Содержание действующего вещества выражают в процентах массы: в азотных удобрениях в расчете на N, в фосфорных - на Р₂О₅ и в калийных - на К₂О. Для пересчета дозы удобрения в килограммах действующего вещества на физические удобрения указываемую дозу N, Р₅О₅ или К₂О делят на процент содержания действующего вещества в удобрении. Например, нужно внести дозу 70 кг азота на 1 га в виде аммиачной селитры: так как содержание азота в ней 34,5%, то количество физического удобрения будет 70 : 34,5 = 2 ц/га.

11.3 Производство и ассортимент минеральных удобрений

В бывшем СССР, благодаря целенаправленным усилиям, была создана мощная сырьевая база и химическая промышленность для производства минеральных удобрений. В Российской Федерации в 1986-1990 гг. производилось в среднем за год 17 млн.т. питательных веществ (около 50% общего производства в бывшем СССР) в составе широкого ассортимента простых и комплексных удобрений. В период максимальной загрузки производственных мощностей (1988 г.) из 37,4 млн.т. удобрений в расчете на питательные вещества (или 127 кг д.в./га) в России выпускалось 18,1 млн.т., в том числе азотных - 7,6 (42,0%), фосфорных - 5,1 (28,2%), калийных - 5,4 (29,8%) млн.т. При этом 76% производимых удобрений использовалось на внутреннем рынке.

Распад СССР и переход к рыночным отношениям привели к резкому спаду производства и применения минеральных удобрений. В сфере производства отмечается рост производственных расходов и себестоимости удобрений за счет увеличения цен на основные ресурсы (сырье, энергоносители) и транспортные расходы. В сфере потребления диспаритет цен на удобрения и сельскохозяйственную продукцию, а также отсутствие эффективной системы кредитования сельхозпроизводителей привело к острому недостатку у хозяйств оборотных средств, в том числе для закупки удобрений. В итоге наблюдается значительное уменьшение производства минеральных удобрений (загрузка сохранившихся в России промышленных мощностей составляет 40-45%), происходят физическое и моральное старение средств производства, потеря квалификационных кадров.

В сельском хозяйстве сокращение потребления удобрений привело к падению урожайности и валового сбора продукции, истощению почвенного плодородия. Отсутствие платежеспособных потребителей минеральных удобрений в России и странах бывшего СССР заставило химические заводы переориентироваться на экспорт продукции. В результате доля экспорта составила свыше 91% от общего производства минеральных удобрений в 2006 гг. Если учесть, что цена 1 т минеральных удобрений (в среднем для NPK на мировом рынке) сопоставима со стоимостью 1 т зерна, а окупаемость затрат на удобрения прибавкой урожая за рубежом достаточно высока (по данным ФАО средняя прибавка урожая на 1 кг питательных веществ составляет 7,3 кг зерна пшеницы, 8,8 кг - кукурузы и 5,5 кг - сои), то очевидна абсурдность сложившейся ситуации.

...