UniversityAgro.ru » Агрохимия » Баланс питательных веществ почвы

Баланс питательных веществ почвы

Круговорот питательных веществ

Интенсивность биологического круговорота — количество химических элементов, содержащихся в приросте фитоценоза на единицу площади за интервал времени.

Одной из задач агрохимии является оценка направленности круговорота биогенных элементов и степень интенсивности антропогенного воздействия на систему почва-растение в балансе питательных веществ в агроценозе, а также создание условии для рационального круговорота питательных веществ в земледелии и обеспечение их положительного баланса, для оптимизации питания сельскохозяйственных культур путем применения научно-обоснованной системы удобрений в севообороте.

В 1825 году впервые в России профессором Московского университета М.Г. Павловым был издан научный труд «Земледельческая химия», в котором он обосновывает задачу повышения плодородия почв за счет увеличения в почве питательных веществ или по крайней мере возвращение того, что взято растениями. Развитие исследования баланса питательных веществ в агрохимии началось с издания работы Ю. Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840) и учения о полном возврате в почву минеральных веществ, взятых из нее урожаем растений.

Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу уделил основоположник отечественной агрохимии Д.Н. Прянишников. Он писал, что развитие химической промышленности является одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии, их обмена между человеком и природой. Он отмечал, что если истощение почв в результате нарушения обмена веществ между человеком и землей нарушает «естественное условие постоянного плодородия почвы», то широкое применение удобрений, базирующееся на химической промышленности, является одним из мощных факторов не только поддержания на постоянном уровне (как это считал Ю. Либих), но и дальнейшего повышения плодородия почвы, как это можно видеть на историческом примере роста урожаев в западноевропейских странах с повышением уровня химизации.

Хозяйственная деятельность человека, включающая интенсификацию сельскохозяйственного производства и химизацию, приводит к изменениям в процессах превращения веществ и энергии в природе. Так, происходят изменения в цикле азота в биосфере при переходе от естественного состояния почвы к состоянию при интенсивной обработке. В почвах естественных биоценозов потери азота от улетучивания и денитрификации уравновешиваются его поступлением с атмосферными осадками и биологической фиксации.

Цикл азота в биосфере при естественном состоянии почвы
Цикл азота в биосфере при естественном состоянии почвы
Цикл азота в биосфере при интенсивной обработке почвы
Цикл азота в биосфере при интенсивной обработке почвы

При освоении земельного участка под интенсивное сельскохозяйственное производство, цикл азота претерпевает изменения. При этом потери азота из системы превышают его поступление, что приводит к обеднению почвы этим элементом. При сельскохозяйственном освоении земель увеличивается число путей потерь азота из системы: наряду с газообразными потерями азота из почвы увеличивается вымывание нитратов. Азот выводится из системы и при сжигании растительных остатков. Значительные количества отчуждаются при использовании сельскохозяйственной продукции на промышленные и иные нужды, а также поглощается сорной растительностью.

Естественное поступление азота в цикл происходит за счет биологической фиксации и с осадками. Только внесением азотных удобрений и навоза возможно устранить дефицит в азотном балансе и создать условия для сохранения и повышения плодородия. Потери азота и других питательных веществ вызывают эвтрофикацию водоемов, загрязняют грунтовые воды и обуславливают ряд нежелательных явлений в окружающей среде.

Не имеет значения в какой форме вносится азот в почву — в составе органических или минеральных удобрений, нитратной, аммиачной, амидной или молекулярной, фиксированной бобовыми культурами — в конечном счете в растениях в синтезе аминокислот и белков принимает участие только восстановленная аммонийная форма азота (NH4+). Все остальные формы восстанавливаются до аммония в процессе химического или биологического превращения в почве или в растениях.

Органические и минеральные удобрения как источники питательных веществ равноценны. Однако органические удобрения более предпочтительны, так как менее концентрированы. Например, по азоту 0,1 т мочевины равноценна 10 т навоза. Нарушения в технологии применения минеральных удобрений приводит к созданию высоких концентраций питательных веществ в почве, которые, поступая в избыточном количестве в растения, ухудшают качество продукции или вызывают аммиачное отравление растений. Минерализация органических удобрений происходит медленно и не создает повышенных концентраций минеральных солей.

Баланс питательных веществ

Баланс питательных веществ — это количественное выражение содержания питательных веществ в почве конкретной площади с учетом всех статей поступления и расхода в течение определенного промежутка времени.

Источники поступления питательных веществ:

  1. минеральные удобрения;
  2. органические удобрения;
  3. растительные остатки;
  4. посевной материал;
  5. биологическая фиксация азота;
  6. атмосферные осадки.

Расходную часть составляют:

  1. вынос с урожаем основной и побочной продукции;
  2. вынос с растительными остатками;
  3. вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности;
  4. потери от эрозионных процессов;
  5. газообразные потери.

Для исследовательских целей количественные величины статей баланса принимаются на основании экспериментальных данных, для практических — справочные данные.

Для проведения теоретических исследований с учетом всех статей баланса используют метод с использованием лизиметра. Этот метод позволяет определить закономерности изменения статей баланса и дать научное объяснение. В этих опытах применяют удобрения с мечеными атомами. Так, согласно результатам лизиметрических исследований, проведенных во ВНИИ удобрений и агропочвоведения на дерново-подзолистых почвах Нечерноземья с помощью стабильного изотопа азота 15N, 30-60% азота внесенного удобрения используют растения, 15-30% — аккумулируется в почве, 10-30% — теряется в результате улетучивания в атмосферу и 1-5% — вымывается водами.

В практических целях применяют данные по биологическому, хозяйственному и внешнехозяйственному балансам.

Биологический баланс охватывает все статьи поступления и расхода питательных веществ, участвующих в круговороте. Его используют при оценке системы удобрения культур и специализированных севооборотов.

Хозяйственный баланс учитывает только вынос питательных веществ с основной и побочной продукцией и поступление за счет внесения удобрений. Расчет хозяйственного баланса дает достаточно объективную агроэкономическую оценку системе удобрения.

Внешнехозяйственный баланс учитывает отчуждение питательных элементов с товарной продукцией за пределы хозяйства и поступление их с минеральными удобрениями. Этот вида баланса имеет значение для распределения удобрений и определяется специализацией хозяйства. При специализации агропредприятия на производстве товарной продукции, баланс более дефицитным, чем на предприятиях животноводческой специализации, так как часть питательных веществ, отчуждаемая с полей в виде кормов, возвращается обратно в виде навоза.

Исследования баланса питательных веществ в длительных стационарных опытах с удобрениями позволяют учитывать многолетнее внесение по ротациям севооборота питательных элементов и вынос их с урожаями. Опыты проводятся в близких к производственным условиях, поэтому получаемые данные применимы в научных и практических целях.

Основной статьей расхода является вынос питательных веществ с урожаем. Размер выноса применительно к конкретным культурам, сортовым особенностям и почвенно-климатическим условиям может отличаться от справочных данных.

Таблица. Вынос питательных веществ в кг/т основной продукции с учетом побочной (2010)[1]

Культура
N
P2O5
K2O
Озимая пшеница
26,6
8,4
18,5
Озимая рожь
27,2
9,7
22,7
Ячмень
25,1
9,2
21,0
Овес
26,5
9,5
27,1
Рис
15,8
10,3
20,9
Кукуруза на зерно
27,1
9,0
21,3
Горох
48,8
11,0
33,9
Подсолнечник
43,8
16,6
101,8
Лён-долгунец (волокно)
59,3
20,2
69,6
Сахарная свекла
4,47
1,25
5,89
Картофель
5,9
1,6
8,0
Кукуруза на силос
2,89
0,9
3,59
Кормовые корнеплоды
2,73
0,67
5,90
Многолетние травы (сено)
19,1
3,4
19,2
Однолетние травы (сено)
17,6
6,3
23,4

Наибольшие потери питательных веществ происходят под чистыми парами, меньше — под пропашными культурами, далее в порядке снижения: зерновые, многолетние травы, сенокосы и пастбища.

Баланс азота

Особенностью баланса азота в системе почва — удобрение — растение является подвижность его соединений. Азот — биогенный элемент, имеющий естественные источники пополнения запасов в почве.

Источником пополнения азотом является биологическая фиксация симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами. 

При любой системе удобрений бездефицитный баланс азота является условием получения высокого урожая.

Баланс азота рассчитывается по уранению:

БN = (Nу + Nс + Nб + Nро + Nо) — (Nв + Nро + Nп),

где БN — баланс фосфора, кг/га N.

Приходные статьи баланса: Nу — поступление с удобрениями Nу = (Nм + Nop), где Nм — поступление с минеральными удобрениями; Nop — поступление с органическими удобрениями; Nс — поступление с семенами (посевным материалом); Nб — поступление от биологической фиксации; Nб = (Nсим + Nнсим); Nсим — поступление от симбиотической фиксации; Nнсим — поступление от фиксации свободноживущими микроорганизмами; Nро — поступление с растительными остатками; Nо — поступление с атмосферными осадками.

Расходные статьи: Nву — вынос с урожаем основной и побочной продукции; Nро — вынос с растительными остатками; Nп — потери из почвы Nп = (Nпв + Nпэ), где Nпв — потери от вымывания; Nпэ — потери от эрозионных процессов.

Азот, поступающий с семенным материалом, и вынос с основной и побочной продукцией определяются аналитическим способом или по справочным данным. Поступление азота с семенным материалом зависит от культуры, норм высева, содержания азота в семенах, севооборота. Так, при посеве зерновых с семенами поступает 4-6 кг/га азота, зернобобовых — 8-15 кг/га, картофеля — 9-12 кг/га. В зависимости от типа и специализации севооборота за ротацию с посевным материалом вносится 20-50 кг/га азота.

Согласно Е.П. Трепачеву, поступление азота от бобовых культур рассчитывается по формуле:

Nоб = [(Mпк 2,5) %N + (Mпу %N)] Кф — Nу (1 — Кф), или

Nоб = Nб — Nв

где N — обогащение почвы биологическим азотом, кг/га; Nб — биологический азот растительных остатков (кг/га); 2,5 — коэффициент поправки на полноту учета органического вещества; Мпк — масса сухих пожнивно-корневых остатков (ц/га); Мпу — масса потерь урожая за все укосы (ц/га); Кф — коэффициент азотфиксации, то есть отношение количества фиксированного азота к общему; Ny — общий азот в урожае сена (кг/га) за все периоды выращивания бобовых; Nв — вынос азота урожаем бобовых (кг/га).

Биологический азот растительных остатков (Nб) определяется по формуле:

Nб = [(Мпк 2,5) %N + (Mпy %N)] Кф.

Вынос азота бобовыми культурами:

Nв = N(1 — Кф).

Пример. Урожайность сена клевера за 3 года составляет 129,7 ц/га при средневзвешенном содержании азота 2,7%. Суммарное потребление азота клевером составит

129,7 х 2,7 = 350,2 кг/га.

Пожнивно-корневые остатки (Мпк) после третьего года жизни клевера составляют 71,8 ц/га сухого вещества и содержанием общего азота 2,3%, масса потерь урожая за все укосы (Мпу) — 4,1 ц/га сухого вещества и содержанием общего азота 2,8%, усредненный коэффициент азотфиксации (Кф) — 0,74. Таким образом:

N = [(71,8 х 2,5) х 2,3 + (4,1 х 2,8)] х 0,74 — 350,2 х (1 — 0,74),

обогащение почвы азотом составит N = 222,9 кг/га.

Коэффициент азотфиксации (Кф) по данным исследований для клевера, люпина, эспарцета равен 0,7, для люцерны — 0,8, для гороха и вики — 0,6. Коэффициент азотфиксации пожнивных остатков зернобобовых — 0,3-0,4; пожнивно-корневых остатков бобовых трав — 0,5-0,7. Условно можно принимать содержание азота в пожнивно-корневых остатках равным половине его содержания в надземной массе.

Источником азота является азотфиксация свободноживущими гетеротрофными и сапрофитными микроорганизмами. В разных почвенно-климатических условиях от несимбиотической азотфиксации связывается: в зоне северной тайги и тундры — несколько килограммов на 1 га азота, в дерново-подзолистых и серых лесных почвах — 15-20 кг/га, в черноземах — 30-40, в тропиках и субтропиках — до 80 кг/га.

Потери азота от эрозии почв, внутрипочвенного стока и инфильтрации в глубокие слои почвы определяют по справочным данным.

Минимальные потери азота при разном гранулометрическом составе от инфильтрации равны (% от внесенного): тяжело суглинистый — 0-0,5%; среднесуглинистый — 0,5-1,5%; супесчаный — 2,0-4,0%; песчаный — 5,0-8,0%.

Таблица. Ориентировочные размеры потерь азота почвы в зависимости от крутизны склона и культур (Трепачев и др., 1976)

Крутизна склона в градусах
Культура
Потери азота, кг/га
менее 1°
Пропашные
5-10
Зерновые яровые
3-5
Зерновые озимые
2-3
Многолетние травы
0
1-2°
Пропашные
10-15
Зерновые яровые
5-8
Зерновые озимые
3-5
Многолетние травы
2-3
2-4°
Пропашные
15-30
Зерновые яровые
8-15
Зерновые озимые
5-10
Многолетние травы
3-5

Баланс фосфора

Фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почвах. Восполнение его запасов в агроэкосистемах происходит только за счет внесения фосфорных и органических удобрений.

В атмосфере фосфор может содержаться в виде пыли в небольших количествах (0,5-1 кг/га в год). В круговорот фосфора в экосистемах вовлечены почва, вода и растения. Однако доступность его для растений зависит от множества факторов. 

Потери фосфора происходят от эрозии почвы в составе мелкозема и жидкого стока. Выщелачивание фосфора средних и тяжелых по гранулометрическому составу почвах как правило не превышает 1 кг/га, на легких и торфяных — до 3-5 кг/га.

Баланс фосфора (Бр) определяется по уравнению, учитывающему разность между поступлением в почву с удобрения, семенами и осадками и отчуждением с урожаем и потерями от вымывания и эрозии:

Бр = (Ру + Рс + Рро + Ро) — (Рву + Рро + Рп),

где Бр — баланс фосфора, кг/га P2O5

Приходные статьи баланса: Ру — поступление с удобрениями, Ру = м + Pop), Рм — поступление с минеральными удобрениями; Pop — поступление с органическими удобрениями; Рс — поступление с семенами (посевным материалом); Рро — поступление с растительными остатками; Ро — поступление с атмосферными осадками.

Расходные статьи баланса: Рву — вынос с урожаем основной и побочной продукции; Рро — вынос с растительными остатками; Рп — потери из почвы Рп = (Рпв + Рпэ), где Рпв — потери от вымывания; Рпэ — потери от эрозионных процессов.

Поступление фосфора с удобрениями и семенами определяется по химическому составу и нормам высева. Величина поступления от атмосферных осадков для фосфора не превышает 0,5 кг/га. Вынос фосфора с урожаем (Рв) определяется по химическому составу и количеству урожая основной и побочной продукции.

Потери фосфора от эрозии (Рпэ) по усредненным данным составляют: для фосфора — 1,5-2 кг/га. Потери фосфора от вымывания зависят от гранулометрического состава почвы, количества осадков, доз удобрений и культур. Потери фосфора (Рпв) для суглинистых почв в среднем составляет до 0,1 кг/га, для песчаных и супесчаных почв — 1,2 кг/га. 

Баланс калия

Баланс калия (Бк) определяется по формуле:

Бк = (Ку + Кс + Кро + Ко) — (Кву + Кро + Кп),

где Бк — баланс калия, кг/га К2O.

Приходные статьи баланса: Ку — поступление с удобрениями Ку = м + Кop), где Км — поступление с минеральными удобрениями; Кop — поступление с органическими удобрениями; Кс — поступление с семенами (посевным материалом); Кро — поступление с растительными остатками; Ко — поступление с осадками.

Расходные статьи баланса: Кву — вынос с урожаем основной и побочной продукции; Кро — вынос с растительными остатками; Кп — потери из почвы Кп = (Кпв + Кпэ), где Кпв — потери от вымывания; Кпэ — потери от эрозионных процессов.

Поступление калия с удобрениями и семенами определяется по химическому составу и нормам высева. Величина поступления с атмосферными осадками для калия колеблется в пределах 2-6 кг/га. Вынос калия с урожаем (Кв) определяется по химическому составу и количеству основной и побочной продукции.

Потери калия от эрозии (Кпэ) по усредненным данным составляют — 3-5 кг/га. Потери калия от вымывания зависят от гранулометрического состава почвы, количества осадков, доз удобрений и культур.

Потери калия от вымывания удобрений (Кпв) составляют: для легких почв — 5%, для тяжелых — 2% от внесенного количества.

[INSERT_ELEMENTOR id="2859"]

Литература

Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.