Плодородие в деталях

               
            Каждому земледельцу хорошо известна роль плодородия почвы в судьбе урожая. Но далеко не каждый задумывается над тем, как много сложных процессов определяют реальное плодородие конкретного земельного участка. Задуматься же полезно: многими из этих процессов можно управлять, поддерживая и повышая уровень плодородия почвы.

Растения берут из почвы питательные вещества – азот, фосфор, калий, а также в небольшом количестве микроэлементы. У каждой сельскохозяйственной культуры свои потребности в этих веществах. Формируя биомассу, растения выносят из почвы необходимые компоненты в нужных пропорциях. Не смогут вынести – не будет урожая. Попадет в биомассу избыточное количество питательных веществ – получится токсичная продукция. Поэтому и нужно следить за тем, чтобы количество питательных веществ в почве было оптимальным.

Выращенный урожай обедняет почву. Но в то же время множество внутри почвенных механизмов работают на то, чтобы содержание элементов питания в почве восстанавливалось. Помогает этому внесение минеральных и органических удобрений.

Сколько же нужно удобрений? Современная агрохимия изучает в опытах разнообразные пути превращения веществ в почве, однако накопленные знания, как правило, мало пригодны для применения в производстве. Поэтому для практического планирования режима удобрения  агрономы пользуются простейшие формулами "выноса из почвы" и "выноса из удобрений", рассчитывая по ним необходимые дозы азота, фосфора и калия в действующем веществе. И это вполне понятно: вооружившись лишь калькулятором, ничего более сложного и не применишь.

Значительный шаг теоретической агрохимии в сторону производства оказался возможным лишь в 80-е годы, когда с помощью вычислительных машин ученые стали разрабатывать математические модели плодородия почвы. Компьютеры стали удобным инструментом обобщения массы конкретных представлений о почве. С их помощью без труда можно было рассчитать одновременный ход множества процессов по сотням формул. Используя математические модели, ученые научились имитировать на компьютере жизнь поля по дням и даже часам.

       Как же выглядит математическая модель почвы? Конечно же, не сотни формул представляют интерес для нашего читателя. А вот схему такой модели понять несложно. Посмотрим, например, как в модели почвы устроен блок органического вещества.

В почве существуют три основных формы органического вещества: гумус, растительные остатки и внесенные органические удобрения. Именно они, разлагаясь, являются источниками главных элементов питания растений – азота (N), фосфора (P) и калия (K), входящих в органические соединения. Разложением органики занимаются почвенные микроорганизмы, которые весьма чувствительны к температуре и влажности почвы. Поэтому зимой оно всегда идет очень медленно, а при прогревании почвы усиливается. Однако, при переувлажнении почвы микроорганизмам не хватает кислорода, и скорость разложения падает.

Кроме того, NPK в растительных остатках и органических удобрениях содержатся и в неорганической форме. Не меняя своей химической формы, они высвобождаются из органических компонентов по мере их механического разрушения.

Так пополняется фонд элементов минерального питания растений. А каковы же взаимопревращения самого органического вещества? Важнейшим естественным сырьем для образования гумуса являются растительные остатки культуры-предшественника. Интенсивность процесса гумификации зависит не только от температуры и влажности почвы, но и от вида растительных остатков. Например, остатки многолетних трав вносят вдвое больший вклад в гумус, чем сорго. "Качество" образующегося гумуса зависит от наличия в почве азота, фосфора и калия во время гумификации.

Неорганические NPK подвергаются иммобилизации, то есть включению в образующееся органическое вещество. Если их будет достаточно, то образовавшиеся гумусовые вещества (фульвокислоты и гуминовые кислоты) будут в дальнейшем в свою очередь хорошим источником элементов минерального питания растений и почвенных микроорганизмов. Именно на обогащение почвы гумусом направлена технология применения зеленых удобрений или сидератов: запашка специально выращенной молодой биомассы.

Однако наилучший вклад в гумус дают органические удобрения. Они тоже неравнозначны по скорости гумификации: например свиной бесподстилочный навоз менее выгоден, чем навоз КРС на соломенной подстилке. Органические удобрения, именно благодаря высокой гумифицируемости и обогащенности NPK, создают в почве не кратковременный, как минеральные удобрения, а стратегический фон плодородия.

Таково лишь в самых общих чертах хитросплетение процессов, формирующих размеры и качество фондов органического вещества почвы. Эти фонды – фундаментальная основа плодородия почвы. Однако растениям "ближе к телу" элементы минерального питания. Один из важнейших элементов – азот.

ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА В ПОЧВЕ

Простейшие представления о судьбе азота заложены в основу расчета необходимых доз удобрения: попадает он в почву с удобрениями, а растения выносят его из почвы и из удобрений. Однако коэффициенты для известных каждому агроному расчетных формул всегда вызывают споры. На разных типах почвы, в разных сериях полевых опытов можно для одной и той же культуры получить сильно различающиеся их значения. Отсюда и научные дискуссии: чьи же коэффициенты лучше?

Происходит это потому, что в действительности картина состояния азота значительно сложнее. Чрезмерно упрощая ее, мы уподобляемся плохому врачу, который пытается оценить состояние больного лишь по температуре и пульсу. Так один больной выживет, а другой с такой же температурой и пульсом – совсем наоборот...

В науке давно известно: нет ничего практичнее хорошей теории. Означает это следующее: чем глубже теория, тем точнее ее объяснения и предсказания, тем шире диапазон условий, в которых они справедливы. Вот и получается, что усилие ума может сэкономить приличные средства, необходимые даже на примитивные опыты, покрывающие необходимое разнообразие погодных, почвенных и других условий.

Что же можно увидеть, погружаясь в глубину представлений о превращениях азота в почве? Схема взаимосвязи основных форм азота в почве показана на рисунке.

     Главные запасы азота содержатся в органическом веществе почвы. Эти запасы для разных почв составляют от 5 до 15 тонн на 1 га.

Непосредственный интерес для растений представляют две основные его формы: нитратная и аммонийная. Корневая система растений поглощает из почвы главным образом нитратный азот. Аммонийный же азот используется в незначительных количествах, играя в цепи азотного питания растений роль промежуточного звена.

Микроорганизмы почвы в ионы аммония превращают азот, входящий в органическое вещество гумуса, растительных остатков и органических удобрений. Этот процесс называется аммонификацией. Суть его в том, что микроорганизмы разлагают почвенную органику, используя ее для своего питания. Жизнь бактерий недолгая – от нескольких часов до нескольких дней. После их отмирания входивший в состав "съеденной" органики азот поступает в почвенный раствор в форме ионов аммония.

Хотя микроорганизмы и обеспечивают питание растений, но им ближе всего  личные интересы. Азот им нужен для синтеза собственной биомассы. Поэтому если в поедаемом ими органическом веществе азота недостаточно, они потребляют аммоний из почвенного раствора, обедняя источник азота для растений.

Этот процесс называется иммобилизацией азота. Поэтому если остатки культуры-предшественника небогаты азотом (зерновые, овощи), то без органических или минеральных удобрений запасы свободного аммония в почве могут сократиться.

Кроме того, в органическом веществе (в основном в удобрениях) содержится значительное количество свободного аммония, химически не связанного с органическими молекулами. Он высвобождается путем диффузии, и пополняет запасы в почве. Увеличиваются эти запасы и за счет отмирания почвенных микроорганизмов,  не принимающих прямого участия в аммонификации, но содержащих в своих клетках ионы биологически закрепленного аммония. Наконец, небольшое количество аммония попадает в почву с осадками. Аммоний хорошо закрепляется в почве глинистыми минералами, поэтому его запасы не испытывают резких колебаний. Его обычное содержание в почве составляет 1 – 3 тонн на га.

Аммонийный азот в нитратную форму превращает особая группа почвенных микроорганизмов – бактерии-нитрификаторы. Нитраты в отличие от аммония обладают высокой подвижностью. Они легко перемещаются в почвенном растворе к точкам их поглощения корнями растений, но столь же легко и вымываются из корнеобитаемого слоя почвы с нисходящим потоком воды при длительных дождях или избыточном орошении. Кроме того, в переувлажненной почве мгновенно развиваются бактерии денитрификаторы, которые превращают нитратный азот в газообразные формы и являются серьезной причиной потерь азота, как из почвы, так и из свежевнесенных удобрений. Эти процессы приводят к быстрым изменениям содержания нитратов в почве. В почвенных образцах, взятых через день, анализ может показать разницу содержания нитратов в несколько раз. За период вегетации растения выносят из почвы 100 – 200 кг на 1 га нитратного азота. Но иногда почва не может обеспечить их даже таким небольшим по сравнению с общими запасами азота количеством.

Запасы обеих форм азота пополняются в результате внесения минеральных удобрений. В зависимости от вида удобрений (гранулы, порошок) и влажности почвы они могут растворяться (а нитратные и денитрифицироваться) с разными скоростями. Понимая механизмы превращений азота, можно подбирать формы и сроки внесения удобрений так, чтобы создавать требуемые запасы нитратов в нужные фазы развития растений.

Большинство описанных процессов превращения азота осуществляется микроорганизмами. А значит, их скорость больше всего зависит от температуры почвы (возрастает примерно в 2.3 раза при увеличении температуры на 10 градусов).

Другой важный фактор – влажность почвы. Большинство микроорганизмов чувствуют себя лучше всего при влажности в 60 – 70% от наименьшей влагоемкости. Однако бактерии-денитрификаторы любят переувлажненную почву. Вкусы бактерий разных видов отличаются также в отношении кислотности почвы. Поэтому, изменяя влажность и кислотность можно не просто в целом замедлить или ускорить процессы превращения азота, но и поменять их направленность.

Такова лишь в самых общих чертах почвенная "кухня", на которой готовится азотное питание растений. Это была теория вопроса. В следующем же сообщении мы расскажем о подпрограмме «Система применения удобрений», построенной на основе этой теории и умеющей рассчитывать потребность сельскохозяйственных культур в органических и минеральных удобрениях.