Оптимизация системы удобрений на микробиологическом уровне

520
Оптимизация системы удобрений на микробиологическом уровне

Урожайность полевых культур в значительной степени предопределяют два элемента технологии их выращивания: система удобрений и система защиты от сорняков, болезней и вредителей. На их долю приходится 60% урожайности полевых культур. На остальные элементы технологии (строки сева, обработка почвы, севооборот и сорта) приходится в среднем по 10% урожайности.

Главная роль в системе удобрений отводится азотным удобрениям. Еще Д. Прянишников считал, что эпохи в развитии земледелия и соответствующие им уровни урожайности культур определяются количеством доступного растениям азота в почве. То есть тот, кто научится эффективно управлять азотом в почве с минимальными его потерями, сможет повышать урожайность культур и уменьшать себестоимость продукции.

Самый простой путь повышения урожайности, который предпочитает большинство хозяйств Украины, – увеличение применения доз азотных удобрений. Это приводит к увеличению себестоимости продукции, а иногда и к уменьшению рентабельности культуры. Существуют и другие пути повышения урожайности культур: снижение потери азота от денитрификации и вымывания нитратов, повышение коэффициента использования растениями азота из удобрений. Этот путь весьма перспективный и дает 30–50% экономии при применении азотных удобрений. В данном направлении некоторые хозяйства в Украине и агрохолдинги только начинают делать первые шаги. Повышения коэффициента использования растениями азота можно достичь путем оптимизации системы удобрений на микробиологическом уровне с учетом агрохимических показателей при соблюдении так называемой концепции четырех правил применения удобрений: внесение лучшей формы удобрений в оптимальной дозе, в необходимые сроки и наиболее подходящим способом.

Основным источником азота для растений являются: 1) соли азотной кислоты (нитраты); 2) соли аммония. Питание растений азотом происходит путем потребления анионов NO3 и катионов NH4+, находящихся в почвенном растворе и в обменно-поглощенном почвенными коллоидами состоянии.

Нитраты в почве очень мобильны, слабо в ней фиксируются и на легких почвах могут быть легко вымыты из корнеобитаемого горизонта. Нитратный азот способен теряться в газообразном виде после прохождения процесса денитрификации. Аммоний, в отличие от нитрата, способен обменно поглощаться и удерживаться почвой. При благоприятных условиях нитрификация аммонийного азота начинается уже через 2–3 дня после внесения удобрения и в среднем занимает 5–6 недель.

В азотных удобрениях могут содержаться три формы азота: амидная NH2, аммонийная NH4 и нитратная NO3. Амидная форма усваивается только через листья. За 1–4 дня она превращается в аммонийную форму. Если удобрение содержит NH4 (аммонийную форму азота), то азот сразу же соединяется с почвой. Аммонийная форма азота не промывается, но плохо доступна растениям. Чтобы доступность NH4 повысилась, необходим процесс нитрификации, то есть бактерии должны превратить его в NO3 – нитратную форму азота. Для превращения аммонийной формы в нитратную необходимо от 7 до 40 дней, в зависимости от температуры. Обычно нитратная форма усваивается растениями через корневую систему. Эта форма азота поглощается сразу после внесения. NO3 никогда не связывается с почвой и поэтому может промываться.

Период максимального потребления азота растениями наступает в начале фазы интенсивного роста и длится довольно долго. Поэтому для обеспечения растений азотом на протяжении длительного периода и уменьшения его потерь от денитрификации и вымывания в нижние слои почвы часто используют дробное внесение азотных удобрений. Озимая пшеница интенсивно потребляет азот и фосфор от фазы весеннего кущения до начала колошения, то есть в период интенсивного роста вегетативных органов. До наступления фазы колошения пшеница может поглощать до 78% азота, 76% фосфора и 95% калия (рис. 1).

Рис. 1. Интенсивное потребление растениями озимой пшеницы азота и фосфора происходит от фазы весеннего кущения до начала колошения
Рис. 1. Интенсивное потребление растениями озимой пшеницы азота и фосфора происходит от фазы весеннего кущения до начала колошения

У кукурузы примерно 85% общего количества азота усваивается от фазы 8 листьев до фазы высыхания цветочных столбиков на початках. Еще 10–13% азота растение получает в фазу созревания. Критический период усвоения азота – фаза цветения (рис. 2).

Рис. 2. Критический период усвоения азота у кукурузы – фаза цветения у кукурузы – фаза цветения
Рис. 2. Критический период усвоения азота у кукурузы – фаза цветения у кукурузы – фаза цветения

У подсолнечника первые 30 дней жизни растения потребляют из почвы относительно мало питательных веществ. В период активного роста интенсивность их поглощения возрастает. К началу цветения подсолнечник поглощает из почвы 60% азота, 80% фосфора и 90% калия от общего выноса за период вегетации.

Традиционно считается, что подсолнечник истощает почву. Однако эти утверждения преувеличены, поскольку возврат элементов питания с растительными остатками по сравнению с их хозяйственным выносом у подсолнечника составляет: N – 74%, Р2O5 – 54, К2O – 94%. Для сравнения: у рапса: N – 60%, Р2O5 – 36, К2O – 71%; у кукурузы: N – 51%, Р2O5 – 34, К2O – 98%; у сои: N – 27%, Р2O5 – 28 К2O – 28%; у зерновых колосовых: N – 24–32%, Р2O5 – 17–18, К2O – 68–72%. В то же время подсолнечник из-за глубоко проникающей стержневой корневой системы существенно иссушает почву, что плохо для последующей культуры в севообороте (рис. 3).

Рис. 3. Глубоко проникающая стержневая корневая система подсолнечника существенно иссушает почву, что плохо влияет на последующую культуру в севообороте
Рис. 3. Глубоко проникающая стержневая корневая система подсолнечника существенно иссушает почву, что плохо влияет на последующую культуру в севообороте

Соя удовлетворяет 65–85% своих потребностей в азоте путем симбиотического процесса фиксации азота. Большие количества азотных удобрений подавляют фиксацию азота, поэтому аграрии либо отказываются от их применения, либо ограничивают дозу до умеренных 30–50 кг/га.

Рис. 4. Наибольшее потребление соей элементов питания происходит во время цветения, формирования бобов, начала налива семян
Рис. 4. Наибольшее потребление соей элементов питания происходит во время цветения, формирования бобов, начала налива семян

Наибольшее потребление элементов питания происходит во время цветения сои, формирования бобов, начала налива семян (рис. 4).

Главным источником азота для растений является почва. Содержание азота в почвах зависит от количества в них гумуса (рис. 5). В черноземах общее содержание азота достигает 0,4–0,5%, а в дерново-подзолистых почвах и сероземах – 0,05–0,15%. Общий запас азота в пахотном слое разных почв колеблется от 1500 до 15000 кг/га.

Рис. 5. Основная масса почвенного азота находится в виде органических соединений (гумусовых веществ), недоступных для питания растений
Рис. 5. Основная масса почвенного азота находится в виде органических соединений (гумусовых веществ), недоступных для питания растений

Основная масса почвенного азота (до 99%) находится в виде органических соединений (гумусовых веществ), недоступных для питания растений. Скорость минерализации органических соединений азота почвенными микроорганизмами до аммиака и нитратов зависит от условий аэрации, влажности, температуры. Количество минеральных соединений азота в почвах также существенно колеблется и может составлять до 2–3% от общего содержания азота.

Интенсивная нитрификация – один из признаков культурного состояния почвы. На окультуренных почвах процессы аммонификации и нитрификации происходят интенсивнее, образуется больше минеральных соединений азота, особенно нитратов. На кислых почвах в условиях плохой аэрации, избыточной влажности и низкой температуры процессы минерализации протекают слабо и останавливаются на стадии образования аммония.

Распад органических веществ до аммиака называется аммонификацией. Этот процесс осуществляется многочисленными аэробными и анаэробными почвенными микроорганизмами. Аммонийный азот в почве подвергается нитрификации – окислению до нитритов, а затем и до нитратов. Потери азота почвы и удобрений происходят вследствие денитрификации – процесса восстановления нитратного азота до свободного молекулярного азота (N2) или до газообразных окиси и закиси азота (NО и N2О) либо его вымывания в нижние слои.

Потери азота при денитрификации нитратов из почвы и удобрений весьма существенны. Потери азота аммонийных удобрений составляют 20%, а нитратных – до 30%, у парующей почвы они могут достигать 40–50%. В полевых условиях растения усваивают из удобрений лишь 30–50% азота. Важной задачей является уменьшение потерь нитратного азота в результате денитрификации, а также его промывания в нижние слои почвы.

Еще одним природным источником азота для растений является атмосфера, ведь над каждым гектаром почвы находится около 80 тыс. т. молекулярного азота. Но для растений он недоступен. Связывание молекулярного азота воздуха и пополнение запасов азота может происходить двумя путями: 1) 3–5 кг/га N образуются в атмосфере под действием грозовых разрядов в виде азотистой кислоты и поступают в почву с осадками; 2) 5–10 кг/га N ассимилируют свободноживущие азотфиксаторы; симбиотические клубеньковые бактерии на горохе, вике, фасоли, сое – 70–80 кг/га N. Примерно 1/3 связанного бобовыми азота остается в пожнивных остатках и после минерализации используется следующими культурами (рис. 6).

Рис. 6. Клубеньки сои
Рис. 6. Клубеньки сои

Существует два основных направления в уменьшении потерь нитратного азота в результате денитрификации, а также его промывания в нижние слои почвы: 1) генетический путь (создание сортов и гибридов, более отзывчивых на элементы питания); 2) агротехнический путь, который делится на части в соответствии с элементами технологии. К нему можно отнести: а) подбор оптимальных доз, форм, способов и сроков внесения удобрений в системе удобрений по результатам микробиологических и агрохимических показателей с учетом уровня урожайности; б) применение биопрепаратов в рядок с микроэлементами и жидкими стартовыми удобрениями; в) использование ингибиторов нитрификации; г) выращивание бобовых культур, семена которых обработаны инокулянтами.

Подбор оптимальных доз, форм, способов и сроков внесения удобрений в системе удобрений по результатам микробиологических и агрохимических показателей. Этот подход заключается в определении в период интенсивного роста растений, когда в почве присутствует влага, в первой половине вегетации культур до цветения ряда агрохимических и микробиологических показателей: 1) нитратного, аммонийного азота; 2) суммы аммонийного и нитратного азота; 3) потенциальной активности денитрификации ризосферного слоя почвы, а также в сравнении данных показателей между собой. Зависимость по показателям обратно пропорциональна: необходимо увеличение суммы аммонийного и нитратного азота и уменьшение потенциальной активности денитрификации. Данный метод позволяет определить потери нитратного азота в результате денитрификации, выбрать лучшие варианты применения удобрений с минимальными потерями азота и оптимизировать систему удобрений на микробиологическом уровне с учетом агрохимических показателей.

Обычно при заделке культиваторами и дисковыми боронами 50–90% удобрений находятся в поверхностном 3-сантиметровом слое почвы. Верхний слой почвы быстро пересыхает, следовательно, растения не в состоянии использовать питательные вещества удобрений. Все это снижает эффективность разбросного удобрения. При заделке удобрений под вспашку их основное количество размещается в почве на глубине 9–20 см, поэтому они малодоступны для растений в начале вегетации. При локальном внесении удобрения расходуются экономнее. Для получения одинаковой прибавки урожая дозу локального удобрения можно уменьшить на 50% по сравнению с разбросным. Например, коэффициент использования фосфора из суперфосфата в год его внесения при допосевном применении вразброс под вспашку составляет 10–15%, а при рядковом внесении возрастает до 25–27%. Замена разбросного удобрения локальным (при одинаковой дозе внесения) повышает урожайность зерновых на 2–5 ц/га, кукурузы – на 5–8, картофеля, корнеплодов, овощей – на 20–40 ц/га.

Азотные удобрения в амидной (карбамид) и жидкой аммиачной формах (безводный аммиак), а также фосфорные, калийные и комплексные удобрения (содержащие NPK) целесообразно вносить локально. При современных технологиях точного земледелия это можно сделать с осени, размещая удобрения лентой ниже глубины заделки семян. Тем аграриям, которые не имеют такой возможности, остается рассчитывать на припосевное внесение удобрений.

Применение биопрепаратов в рядок с микроэлементами и жидкими стартовыми удобрениями. На сегодняшний день гранулированные и жидкие стартовые удобрения из-за большого риска ожога молодых прорастающих корешков растения вносят одновременно с посевом преимущественно методом «5 х 5» (5 см вниз и 5 см в сторону). В то же время удобрения с низким солевым индексом, которые не содержат балластных солей, вносят непосредственно в зону высева семян, но в соответствующих нормах. Стартовое питание особенно эффективно в холодной почве – в условиях, когда поглощение затруднено из-за низкой доступности элементов питания. В стартовом питании фосфор является основным питательным элементом, поскольку он практически неподвижен в почве, а при температуре менее 14°С почти не усваивается, но именно фосфор крайне необходим для роста корней.

При внесении жидких стартовых удобрений с биопрепаратами и микроэлементами в рядок можно создать благоприятные условия для развития полезных микроорганизмов. Количество микроорганизмов особенно велико в ризосфере. Используя в качестве источника пищи корневые выделения, микроорганизмы активно развиваются на корнях и вблизи них, способствуя мобилизации питательных веществ почвы. Ризосферные и почвенные микроорганизмы играют важную роль в превращении питательных веществ и вносимых в почву удобрений в доступную для растений форму. Особенно это касается фосфорных и калийных удобрений, которые слабо подвижны в почве. При этом в почве необходимо уменьшить подвижность и потерю азотных удобрений, но увеличить мобильность и доступность фосфорных и калийных.

Использование ингибиторов нитрификации. Одним из перспективных путей снижения потерь азота почвы и удобрений вследствие денитрификации и вымывания нитратов является применение ингибиторов нитрификации. Эти препараты тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме. Они задерживают бактериальное окисление иона аммония (NН4+), подавляя на определенное время (от 4-х до 10 недель) активность бактерий рода Nitrosomonas в почве. Эти бактерии способствуют трансформации ионов аммония в нитриты (NО2), которые затем модифицируются в нитраты (NО3). Ингибиторы нитрификации предотвращают потерю азота в виде вымывания нитратов и препятствуют образованию закиси азота в верхних слоях почвы с последующим улетучиванием азота в атмосферу. В ЕС на законодательном уровне с 2019 г. разрешено применение только обработанного ингибитором карбамида, что значительно увеличивает его эффективность и уменьшает экологическую нагрузку.

В настоящее время наибольшее значение имеют следующие препараты: Нитропирин, DCD, DMРР, Триазол, 3-МР. В качестве ингибиторов нитрификации в США применяют 2-хлор-6-(трихлорметил)-пиридин (удобен для внесения с жидкими удобрениями), в ФРГ – дициандиамид, Японии – 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидин и сульфа-тиазол.

Нитропирин относится к группе органических соединений, содержащих хлор, и эксклюзивно производится компанией Dow Chemicals (США). Обладает частично бактерицидным эффектом на бактерии Nitrosomonas, т. е. часть организмов гибнет. Нитропирин добавляют к любым аммонийным удобрениям: сульфату или нитрату аммония, карбамиду, КАС, ангидриду аммония или в навоз животных. Вне зависимости от вида удобрения оно должно быть заделано на глубину не менее 5–10 см сразу после внесения.

Дициандиамид (DCD) хорошо растворим в воде, нетоксичен, его можно добавлять в любое удобрение (жидкое, твердое или в суспензии), содержащее аммонийную форму азота (сульфат аммония, КАС). Через бактерицидный эффект аммонийный азот стабилизируется в почве 4–10 недель, не превращаясь в нитраты. Наиболее оправданно применение этого продукта на легких по структуре почвах с достаточным или избыточным количеством осадков.

DMPP – 3,4-диметилпиразол фосфат – препарат, разработанный компанией ВАSF в 1995 году. Доза применения – 0,5-1,5 кг/га. Удобрение может быть в твердом или жидком виде. Отмечено значительное повышение эффективности азотных удобрений, то есть сокращение норм внесения, повышение урожайности до 7–16%, улучшение качества продукции, снижение затрат труда за счет меньшего количества обработок.

Эффективным ингибитором нитрификации аммонийно-амидного азота удобрений является 3-метилпиразол, который в Германии используется для производства стабилизированных жидких комплексных удобрений (КАС-32), а также является ингибитором нитрификации карбамида.

При использовании ингибиторов нитрификации можно добиться следующих результатов: 1) снижение потерь азота почвы и удобрений вследствие денитрификации и вымывания нитратов в районах избыточного и достаточного увлажнения, на почвах легкого гранулометрического состава, где возможны значительные потери азота вследствие вымывания из них нитратов; 2) повышение коэффициента использования растениями азота из удобрений на 10-15%; 3) уменьшение доз азотных удобрений за счет снижения потерь азота из удобрений в 1,5–2 раза; 4) равномерное высвобождение азота и его постепенное использование в период интенсивного роста растений, что исключает избыточное потребление азота растениями в период вегетации; 5) уменьшение количества раз внесения азотных удобрений на озимой пшенице за счет объединения прикорневых подкормок (в фазу кущения и выхода в трубку или ранневесенней подкормки по таломерзлой почве и в период кущения).

Стратегия и подходы, описанные в данной статье, позволяют по-новому взглянуть на скрытые микробиологические процессы, происходящие в почвах, от которых существенно зависит применение удобрений, урожайность и рентабельность полевых культур.

С. Г. Хаблак, канд. биол. наук, Я. А. Абдуллаева, канд. с.-г. наук

Опубліковано в журналі “Агроном”, 2019