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 вещества входит 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 железа в 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.