Режимы основных элементов питания растений

И их регулирование

Азот

Азот и его соединения играют в жизни биосферы, в формировании почвенного покрова и плодородия почв такую же важную роль, как и углерод. Около 80% запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты. Большое количество азота содержит биосфера в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (1,5∙10¹¹ т), в биомассе растений (1,1∙10⁹ т), в биомассе животных (6,1∙10⁷ т). В больших количествах азот содержится в биогенных ископаемых.

Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония доля минеральных соединений азота в почве невелика, что создает проблему обеспечения культурных растений азотом. Ее решение сопряжено с применением азотных удобрений, но оно порождает энергетические и экологические проблемы. Производство азотных туков чрезвычайно энергоемкий процесс, одна тонна связанного азота по затратам энергии эквивалентна трем тоннам нефти. Из энергетических затрат на производство всех удобрений 90% приходится на производство азотных туков. Экологические издержки промышленного производства удобрений умножаются загрязнением окружающей среды при их применении, часто весьма несовершенном. В связи с этим оптимизация режима азота в агроэкосистемах и в целом в ландшафтах приобрела особо актуальное значение. Ее решение возможно лишь на основе отчетливых представлений о процессах трансформации азота в почвах и всех составляющих его круговорота.

Общая картина круговорота азота на Земле представлена на рис…

Основными составляющими круговорота азота в экосистемах и агросистемах являются: поступление из органического вещества почвы в результате минерализации (аммонификации, нитрификации), биологическая фиксация атмосферного азота, поступление с атмосферными осадками, поступление с минеральными и органическими удобрениями, семенами при посеве сельскохозяйственных культур; потребление растениями (в том числе вынос азота с урожаем и поступление в почву с растительными остатками), иммобилизация микроорганизмами на растительных остатках, потери вследствие денитрификации и миграции за пределы корнеобитаемого слоя.

Рис.... Круговорот азота на Земле

Рассмотрим основные статьи баланса азота.

Минерализация органического азота. Основной источник поступления азота в почву – органическое вещество, в первую очередь легкоразлагаемое (растительные и животные остатки), в меньшей мере - гумусовые вещества. В результате разложения азотсодержащих соединений образуется аммиак. Этот процесс называется аммонизацией. Он осуществляется с помощью ферментов, выделяемых различными группами микроорганизмов: анаэробными бактериями, грибами и актиномицетами.

Высвобождение минерального азота из органического вещества зависит от соотношения в нем углерода к азоту. При отношении С:N < 20 в почве хорошо идут процессы минерализации азотсодержащих органических остатков, образование аммиака и его дальнейшее окисление до азотной кислоты. При отношении С:N >20 образующийся аммиак перехватывается микроорганизмами, разлагающими безазотистые органические вещества, и высшие растения ощущают недостаток усвояемого азота. При С:N > 30 в почве сильно выражена иммобилизация азота. Широкое отношение углерода к азоту указывает на то, что органическое вещество почвы еще не гумифицировано или слабо гумифицировано и оно богато энергетическим материалом для размножения микроорганизмов, которые будут успешно конкурировать с растением в поглощении доступных форм азота. Отношение С:N = 10—типично для сильно гумифицированного вещества, которое способно подвергаться лишь медленному разложению микроорганизмами.

При благоприятных условиях ион аммония подвергается нитрификации. Окисление аммония до нитритов осуществляется нитрозными бактериями (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nirospira), а дальнейшее окисление нитритов в нитраты – бактериями Nitrobacter. Эти бактерии автоморфные, то есть не нуждаются в готовом органическом веществе. Они синтезируют его из неорганических соединений. Источником углерода для них, как и для зеленых растений, служит углекислый газ. Но в то время как зеленые растения для расщепления молекулы воды используют солнечную энергию, бактерии-нитрификаторы получают энергию при реакции окисления аммиака. Наиболее интенсивно эти процессы протекают в условиях слабощелочной среды, при оптимальной температуре 25-35^оС и хорошей аэрации почвы.

Биологическая азотфиксация. Фиксация азота из воздуха осуществляется двумя группами микроорганизмов: свободноживущими, использующими в качестве источника энергии органическое вещество почвы, и симбиотическими (клубеньковыми), использующими энергию фотосинтеза растений с которыми они сожительствуют. Из свободноживущих наибольшей азотфиксирующей способностью обладает азотобактер, в меньшей степени Clostridium pasteurianum. Этой способностью в той или иной степени обладает ряд других бактерий (некоторые фотосинтетические, сульфатвосстанавливающие и другие), а также сине-зеленые водоросли из семейства Nostocaclae и Calotrix.

Азотобактер развивается в аэробных условиях. По своему синтетическому положению азотобактер занимает среднее положение между сине-зелеными водорослями и бактериями, но большинством авторов относится к последним. Известны несколько его видов: Azotobacter choococcum, Azotobacter agile и др. Для нормального развития азотобактера необходимо наличие доступного органического вещества, фосфора, калия, кальция, серы, магния, железа, молибдена, бора, близкая к нейтральной реакция среды, хорошая аэрация почвы. Для ускорения фиксации молекулярного азота целесообразно применять бактериальные препараты приготовленные из местных рас азотобактера.

Crostridium pasteurianum развивается в анаэробных условиях.

Для обеспечения азотфиксации необходимо поступление в почву органического вещества, каковым могут быть растительные остатки, зеленое удобрение, солома, навоз. При внесении азотных минеральных удобрений данные микроорганизмы могут использовать их для построения своего тела без фиксации молекулярного азота. Свободноживущие в почве азотфиксирующие бактерии в благоприятных условиях связывают 25-40 кг атмосферного азота в год.

Значительно больший вклад в баланс азота вносят бактерии рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Различные виды растений имеют свой симбиотический Rhizobium. Фиксация азота осуществляется ферментом нитрогеназой, содержащей молибден. Тем самым определяется необходимость применения микроудобрений при дефеците этого элемента в почве. Для нормального развития клубеньков необходим бор. Он улучшает условия синтеза и транспортировки углеводов у высших растений и таким образом создает наилучшие предпосылки для симбиоза бобового растения с клубеньковыми бактериями.

За счет симбиотической азотфиксации может производится до 300 кг азота в год.

Поступление азота в почву из атмосферных осадков. В атмосфере при грозовых разрядах и фотохимическим путем образуется некоторое количество аммиака и азотной кислоты. Эти соединения увлекаются осадками и вместе с ними попадают в почву. Этим путем ежегодно может поступать в почву 6—15 кг азота, преимущественно в форме аммиака.

Приход азота в почву в составе удобрений. С органическими удобрениями в почву поступают соединения азота различной способности и минерализации. Наиболее сложным является процесс мобилизации азота из торфа, наиболее доступен азот сидеральных удобрений. Минеральные азотные удобрения представлены аммонийной, нитратной и амидной формами. Амидный азот растениям непосредственно не доступен, они могут его использовать после перевода в аммонийную форму под влиянием фермента уреазы. Процесс разложения мочевины осуществляется в течение 10-15 дней. В условиях интенсивного окисления на легких почвах эта форма удобрения предпочтительна с точки зрения уменьшения потерь на вымывание.

Азот минеральных удобрений потребляется культурными растениями, микроорганизмами и сорняками. Роль последних в балансе азота зависит от культуры земледелия. Чем она ниже, тем большую долю азота удобрений потребляют сорняки, тем выше экономические издержки. В тоже время следует подчеркнуть, что сорняки удерживают азот от потерь и уменьшают загрязнение окружающей среды.

Потери азота вследствие денитрификации. Денитрификацией называются процессы восстановления нитратов, в результате которых они переходят в нитриты, гидроксиламин, аммиак, молекулярный азот. Соответственно часть азота бесполезно теряется, улетучиваясь в атмосферу. Прямую денитрификацию вызывают ряд денитрифицирующих бактерий: Bact.denitrificans, Bact.stutzeri, Bact.fluorescens и др.

Денитрификация развивается при сокращении доступа кислорода в почву при переувлажнении.

Потери азота вследствие нисходящей миграции. Данное явление имеет распространение в районах с избыточным увлажнением, при орошении. Ион NO₃^- легко мигрирует по профилю почвы, достигая грунтовых вод. Данный процесс наблюдается и в степной зоне и не только при орошении, но и при неорошаемых условиях в паровых полях. Исследованиями в Зауралье, Сибири, Казахстане показано (В.И. Кирюшин, Г.И. Ткаченко, 1986), что при длительном использовании черноземов с чистым паром происходит миграция нитратов на глубину 3—5 м. Чем выше доля пара в севообороте, тем больше потери азота, особенно при интенсивной механической обработке паровых полей и недостаточном применении фосфорных удобрений. Потери азота за счет нисходящей миграции нитратов увеличиваются к югу черноземной зоны, где часто создается относительный избыток минерального азота по сравнению с тем его количеством, которое могут использовать зерновые агроценозы. В беспаровых севооборотах, не перегруженных удобрениями, подобных явлений во всех почвенных зонах не наблюдалось. В целом увеличение потерь гумуса и азота в почвах степной зоны связано прежде всего с расширением чистых паров при несовершенной системе ухода за ними.

Регулирование режима азота, так же как органического вещества осуществляется всеми средствами систем земледелия: рациональными севооборотами, обработкой почвы, удобрениями. При этом важнейшей задачей является обогащение почвы органическим веществом с целью создания условий для фиксации атмосферного азота и улучшения физических свойств почвы и создания оптимального водно-воздушного режима для предотвращения денитрификации.

Потребление растениями азота из различных слоев почвы. Традиционные представления об использовании азота из верхних горизонтов почвы существенно корректируются в последние годы, так же как и мощность слоя, по которому диагностируется обеспеченность растений азотом. Глубина потребления азота зависит от вида растений, глубины проникновения их корневой системы в зависимости от почвенных условий, динамики содержания азота в почве, водного режима, погодных условий.

В таежно-лесной зоне большинством авторов отмечено поглощения азота зерновыми культурами из слоя выше 60 см. В.В. Кидиным и а.Г. Замараевым (1989) показано заметное потребление азота ячменем из слоя 40-60 см и даже из слоя 60-80 см. В дерново-подзолистых и, тем более, подзолистых почвах глубина проникновения корней растений зависит от окультуренности почв, мощности пахотного горизонта и свойств подпахотных слоев. Фактором, сдерживающим развитие корневых систем растений является высокая кислотность переходных горизонтов, наличие токсичных количеств аммония в почвенном растворе.

На черноземах зерновые культуры активно используют азот из всего метрового слоя (табл...) и, по-видимому, из более глубоких слоев. Наибольшей способностью потреблять азот из глубоких слоев почвы обладают многолетние травы. При подборе культур в севооборотах важно учитывать эту различную способность ратсений, чтобы исключить или сократить потери нитратов вследствие нисходящей миграции.

Таблица

Урожайность яровой пшеницы и использование азот удобрения в зависимости от глубины его внесения

Фосфор

Фосфор в почвах представлен различными органическими и минеральными соединениями. Органический фосфор включает соединения его в составе гумуса и органические соединения фосфора растительных и микробных клеток. В эту группу входит фосфор как живых, так и отмерших клеток организмов, населяющих почву. К минеральным формам фосфора относятся различные соли фосфорной кислоты (фосфаты кальция, магния, железа, алюминия и др.) и фосфорсодержащие минералы, как например апатит и др.

Органический фосфор по степени подвижности разделяют на три фракции: легкогидролизуемый – растворимый в 2% HCl при кипячении (40-50% органического фосфора); трудногидролизуемый – извлекают при последовательной обработке почвы 80% H₂SO₄ (20-30%), негидролизуемый (15-33%). Фосфор органических соединений, так же как и фосфаты железа и алюминия, концентрируется в верхнем гумусовом горизонте почв. Однако органические формы фосфора отличаются довольно высокой подвижностью в почве. Если минеральные соли фосфора закрепляются главным образом в зоне их внесения, или соприкосновения с почвой, то органический фосфор в форме глюкозофосфатов и глицерофосфатов может передвигаться по почвенному профилю.

Среднее содержание фосфора (Р₂О₅) в почве составляет: для почв подзолистой зоны 0,1—0,15% и для черноземов 0,14—0,16%.

При выветривании горных пород освобождающийся усвояемый фосфор очень быстро может переходить в труднорастворимые соединения под воздействием железа, алюминия и кальция. Эти элементы могут связывать также растворимый фосфор, вносимый с удобрениями.

Способность почв закреплять фосфаты зависит от содержания в них различных ионов, в том числе ионов полуторных окислов, от состава глинистых и органических фракций почв и в очень сильной степени от реакции среды.

В магматических породах фосфор встречается в форме, фторапатита и хлорапатита. Апатиты и фосфаты кальция широко распространены в природе. В слабокислых, нейтральных и щелочных почвах основной формой почвенного фосфора является не трехкальциевый фосфат, а изоморфная смесь фторапатита и гидроксилапатита с различным содержанием фтора: 3Ca₃(PO₄)2CaF₂.

В условиях кислых дерново-подзолистых почв, бедных кальцием, фосфорная кислота связывается главным образом в виде труднорастворимых фосфатов алюминия и железа. На нейтральных почвах, содержащих достаточное количество извести, воднорастворимая фосфорная кислота суперфосфата переходит в фосфаты кальция, которые (особенно свежеосажденные) усваиваются растениями лучше, чем фосфаты железа и алюминия. Например, дикальциевый фосфат, может свыше года сохраняться в почве в усвояемых формах. Однако на кислых почвах, содержащих много подвижных форм железа и алюминия, процесс перехода фосфатов в неусвояемые формы происходит настолько быстро, что надо принимать ряд мер, препятствующих взаимодействию фосфора с почвой. К таким мероприятиям относится внесение суперфосфата в гранулированном виде и применение его в смесях с органическим веществом.

Как известно, с кальцием фосфорная кислота образует три типа солей: однокальциевый фосфат — Са(Н2РО₄)2∙Н₂О, двухкальциевый фосфат — СаНРО₄ ∙2Н₂О и трехкальциевый фосфат — Са₃ (РО₄)₂•0,5Н₂О.

Эти соединения резко различаются между собой по своей растворимости. Хорошо растворим в почве однокальциевый фосфат, который содержится в суперфосфате. Этот фосфат может давать растворы с содержанием 10 г P₂O₅ на литр. Растворимость двухкальциевого и трехкальциевого фосфата"значительно ниже: СаНРО₄— 20—60 мг Р₂О₅ на литр воды, Са₃(РО₄)₂— 0,74 мг Р₂О₅ на литр воды без СО₂, Са₃(РО₄)₂ — 7—90 мг Р₂О₅ на литр воды, насыщенной СО₂ (в зависимости от степени насыщения).

Таким образом, в почвенном растворе, насыщенном углекислотой, создаются благоприятные условия для перехода трехкальциевого фосфата в более растворимые, доступные для растений формы. Вообще фосфаты кальция, накапливающиеся в почве при нейтральной и щелочной реакции, при подкислении среды становятся более доступными растениям. При длительном взаимодействии с почвой фосфаты кальция переходят в устойчивые гидроксилапатиты.

С железом и алюминием также образуются различные фосфорнокислые соединения. Основные фосфаты алюминия наименее растворимы при рН 3,5—4,0, а фосфаты железа — при рН 2,5—3,0. При уменьшении кислотности почвы эти фосфаты переходят в раствор и становятся более доступными растениям.

В условиях кислой реакции среды поглощение фосфорной кислоты глинистыми минералами происходит наиболее интенсивно. Предварительное известкование кислых почв будет в этом случае повышать эффективность как фосфорных, так и калийно-азотных минеральных удобрений. Внесение органических удобрений (навоз, торф, торфонавозные компосты) также способствует повышению усвояемости фосфатов. Перегнойные кислоты, обволакивая гидраты окисей железа и алюминия, уменьшают связывание фосфорной кислоты в форме неусвояемых соединений. Гуминовые кислоты, таким образом, являются фактором повышения усвояемости фосфатов.

Необходимо, чтобы растворимые фосфорные удобрения имели как можно меньший контакт с почвой; это достигается внесением их в гранулированном виде, в смеси с органическими удоб­рениями или местным внесением в рядки, междурядья, вместе с семенами. Однако при длительном взаимодействии фосфатов с почвой усвояемость их все же постепенно снижается.

На почвах, имеющих достаточно высокую степень насыщенности кальцием, фосфорная кислота образует фосфаты кальция, которые усваиваются растениями значительно лучше, Разложению трехкальциевого фосфата способствует также угольная кислота, образующаяся в почве в результате разложения органического вещества почв микроорганизмами и при дыхании растений.

Для улучшения условий разложения фосфоритной муки необходимо увеличивать контакт ее спочвой тщательным перемешиванием орудиями обработки. В связи с этим техника внесения фосфоритной муки должна быть иной, чем техника внесения суперфосфата.

Известкование кислых почв уменьшает их способность разлагать фосфорит. Таким образом, кислотность почв, обусловленная наличием обменных форм водорода и алюминия, а также минеральные и органические кислоты, образующиеся в почве в результате жизнедеятельности микроорганизмов, являются основными факторами, способствующими разложению фосфоритной муки и переводу фосфора в доступное для растений состояние. При этом необходимо учитывать также особенности различных сельскохозяйственных культур и свойства самого фосфорита. Например, такие растения, как люпин, гречиха, клевер, своими корневыми выделениями лучше разлагают фосфоритную муку, чем зерновые культуры и корнеплоды.

Аморфные фосфориты разлагаются в почве легче, чем более древние кристаллические их формы. Фосфориты тонкого помола разлагаются в почве быстрее, чем грубого помола.

Калий

Содержание калия в почве зависит в основном от количества и состава калийсодержащих минералов группы полевых шпатов и слюд, в которых количество К₂О достигает 10-12%, и продуктов их выветривания (иллитов, вермикулитов, смектитов, смешаннослойных минералов типа смектит – иллит, смектит – вермикулит, хлорит – смектит и т.д.) с содержанием 1 – 6% К₂О. Содержание калия увеличивается с утяжелением гранулометрического состава почв от 0,6 – 1,4% в песчаных почвах до 2,0 – 2,5% в суглинистых.

По доступности растениям выделяют следующие формы калия:

• калий минерального скелета - основная часть калия почвы, обусловленная почвообразующими калийсодержащими первичными и вторичными минералами, в основном недоступная для растений;

• калий необменный - часть калия почвы, находящаяся в структуре слюдоподобных минералов и органоминеральных смектитовых комплексов, участвующая в фор­мировании равновесной системы, частично доступная для растений;

• калий обменный - часть калия почвы, расположенная на поверхности органомине­ральных коллоидов и на специфических позициях вторичных минералов, взаимодействия с необменным калием, прак­тически доступная для растений;

• калий почвенного раствора – часть калия почвы, находящаяся в водорастворимой форме, в наибольшей степени подверженная внешнему воздействию, непосредственный источник питания растений.

При поступлении калия в почву происходит обменное и частично необменное поглощение. При необменном поглощении калий не вытесняется нейтраль­ными солями. Такое необменное поглощение часто называется фиксацией калия почвой. Фиксация калия связана с наличием в почве коллоидных ми­нералов. Калий проникает в кристаллическую решетку этих минералов, куда могут проникать и другие катионы. Однако степень их фиксации определяется ионным радиусом ре­агирующих катионов: катионы с наибольшим ионным радиусом фиксируются быстрее. Все катионы могут быть по этому при­знаку разбиты на две большие группы:

- хорошо фиксируемые К, NH₄, Rb, Cs, Ba (с ионным диаметром 2,66-3,38);

- слабо фиксируемые Li, Na, Ca, Sr, Mg (с ионным диаметром 1,20-1,98).

Попеременное увлажнение и высушивание почвы способствует фиксации калия. Между фиксированным, обменным и воднорастворимым калием в почве существует определенное подвижное равновесие. В условиях сильного увлажнения калий фиксируется преиму­щественно коллоидным минералом иллитом и почти не фикси­руется монтмориллонитом. Но при высушивании почвы калий фиксируют оба эти минерала. Энергия фиксации калия иллитом возрастает с увеличением значения рН. Для монтморилло­нита при доведении реакции почвы от кислой до рН 6,6 способность фиксации уменьшается, а дальше остается постоянной. С этим связана неоднозначность данных о влиянии известкования на фиксацию калия, хотя большинство их свидетельствует об усилении фиксации калия при известковании почв.

Миграция калия по профилю почв зависит от емкости катионного обмена, доз удобрений и кислотности почвы. Она существенно возрастает в легких почвах. При длительном систематическом применении калийных удобрений в условиях многолетних полевых опытов (Прокошев, 1984) при ежегодной дозе 60-90 кг/га на трех наиболее типичных дерново-подзолистых почвах разного гранулометрического состава заметная миграции калия удобрений до глубины 100 см наблюдалась только на легких почвах. На тяжелых суглинках при данном уровне содержания обменного калия миграция калия удобрений глубже 40 см была незначительной, а на средних - наблюдалась до глубины 60 см.

В режиме калия заметную роль играют биологические механизмы, в частности некоторые виды микроорганизмов способны разлагать силикаты и переводить содержащийся в них калий в усвояемые для растений формы. В то же время микроорганизмы, как и высшие растения, поглощая усвояемый калий, накопливают его в своих клетках. Этот фиксированный живыми организмами калий пополняет запасы усвояемого калия лишь после отмирания микроорганизмов и растений. В процессе извлечения калия из минералов в определенной мере участвуют растения, хотя в основном они используют водорастворимый и обменный калий.