Плодородность почвы и питание растений

Плодородность почвы является результатом биологических, физических и химических процессов, протекавших в течение сотен тысяч лет. Первые исследования в области плодородности почвы, откуда берут истоки многие рекомендации по управлению почвами, и на основании которых были созданы первые химические удобрения, проводились в условиях применения интенсивной обработки почвы, разрушавшей ее структуру.

Удобрение почвы основано на коррекции и поддержания уровня питательных веществ. Коррекция плодородности осуществляется на основании выявления недостатка или дисбаланса веществ, необходимых для развития выращиваемых растений.

Поддержание основано на восстановлении питательных веществ, извлеченных растениями. Извлекаемый объем и потребности растений в питательных веществах варьируются в зависимости от вида выращиваемой культуры, а также химических и биологических характеристик почвы. На рисунке 22 представлены примерные нормы извлечения азота, фосфора и калия растениями риса, ячменя, кукурузы, сои, сорго и пшеницы. Для поддержания плодородности почвы, внесение питательных веществ должно быть эквивалентным oбъему, извлеченному растениями.

Обычно при рассмотрении вопросов, связанных с плодородностью почвы, основной упор делается на химический анализ, при этом сам процесс питания растений остается без особого внимания. Между тем урожайность и образование зеленой массы зачастую является лучшим показателем состояния почвы, с точки зрения питания растения, чем результаты отдельного химического анализа.

Почвы могут обладать самыми разнообразными биологическими, физическими и химическими характеристиками. Обычно питательные вещества концентрируются в поверхностном слое почвы. Растения, развиваясь, производят органический материал, при этом остатки располагаются на поверхности почвы, где они разлагаются до уровня минеральных составляющих. Вода, проникающая в почву, переносит растворимые питательные вещества в более глубокие слои. Обратный поток питательных веществ происходит в процессе испарения, когда вода высвобождается в газообразном виде, оставляя питательные вещества на поверхности. В некоторых случаях, в период засухи может происходить засоление почвы. Вследствие указанных факторов, естественная тенденция такова,что питательные вещества концентрируются, главным образом, на поверхности почвы. Они могут быть перенесены вглубь почвы корнями, животными или дождевой водой.

На плантациях под ТП питательные вещества обычно концентрируются в верхнем слое почвы, глубиной 0-10 см. Поэтому очевидно, что вспашка, культивация и боронование не способствуют абсорбции питательных веществ. Интенсивная обработка и переворачивание почвы способствуют смешиванию, фиксации и частичной иммобилизации некоторых питательных веществ на всей глубине пахотного слоя.

При прямом посеве, внесение удобрений в семенную борозду создает узкие полосы с высоким содержанием питательных веществ, находящихся в расположении растений. В случае кукурузы, рядки которой расположены на расстоянии 0,7-0,9 м, доза 400 кг питательных веществ на гектар создает очень высокую концентрацию этих веществ, которые, тем более, не расположены к движению в почве. При ТП эти питательные вещества смешались бы в пахотном слое при последующих обработках почвы. При ПП они будут продолжать оставаться концентрированными, и при ширине рядка 5 см указанная доза будет эквивалентна 6-8 т/га. На этой узкой полосе может временно создаться дисбаланс, который можем обусловить появление у растений симптомов недостатка питательных веществ. По мере роста корней баланс восстанавливается, и растения растут в нормальном режиме.

Для достижения баланса между потребностями растений в питательных веществах, расположенных на поверхности и в более глубоких слоях, структурирование и биологическая активность в почве являются, вероятно, более важными факторами для растения, нежели физическое внесение питательных веществ.

Изначально методы выборки образов почвы для оценки уровня плодородности и кислотности были разработаны для плантаций под TП. Частая вспашка и боронование способствуют гомогенизации почвы в пахотном слое. Взятие маленьких образцов в этом случае является достаточным для оценки общей ситуации с плодородностью. Поэтов рекомендуется собрать несколько маленьких проб, диаметром от 2 до 7 см. смешать их и отправить как единый образец для проведения лабораторного анализа.

В случае ПП, основываясь на теориях взятия проб, и учитывая высокую концентрацию удобрений на линии сева, наименьший размер пробы должен, по меньшей мере, покрыть расстояние между рядками. Например, в случае кукурузы с расстоянием 0,8 м между рядками и при внесенных удобрениях на линии сева, проба должна покрыть пространство между бороздами для получения достоверных оценок.

Другим спорным фактором является глубина, с которой берется проба почвы при прямом посеве, принимая во внимание, что на плантациях, так же как и в природных условиях, питательные вещества концентрируются в поверхностном слое почвы. Таким образом, если проба берется с глубины 20 см, то по результатам анализа могут быть сделаны неверные выводы

Для оценки содержания питательных веществ в почве и их адекватности потребностям растений рекомендуется собрать несколько проб на глубине 5 см. и еще несколько - на глубине 5-10 см и 10-20 см. Другой альтернативой является выборка нескольких проб с глубины до 10см и еще нескольких - с глубины от 10 до 20 см (это более предпочтительно,чем взять набор проб из слоя от 0 до 20 см). Оба метода позволяют получить достоверные оценки содержания и распределения питательных веществ в почве.

Имея результаты проб, взятых из различных слоев почвы, можно объективно оценить потребности растений в удобрениях, а также выбрать наиболее адекватный метод их внесения (разбрасывание по поверхности или внесение в посевную борозду при проведении сева.)

Известкование рекомендуется для внесения в почву кальция и магния, а также для повышения рН почвы, которое способствует высвобождению питательных веществ и связыванию токсичных элементов, таких как алюминий и марганец. Некоторые эксперты в области плодородности почвы утверждают, что применение известкования необходимо для участков с повышенным содержанием алюминия и марганца, токсичных для корней выращиваемых растений, или с низким содержанием кальция или магния.

Практика известкования начала широко распространяться и рекомендоваться для повышения урожайности сои, начиная с 60-х годов, и вскоре стала неотъемлемым элементом производства. Между тем проведение известкования на плантациях под ПП, по крайней мере в том виде и с применением тех же доз, что и в случае ТП, было подвергнуто пересмотру и даже критике (см. S?, 1993 г.).

Результаты анализа образцов красных глинистых почв, взятых в регионе Плоскогорья штата Риу-Гранде-ду-Сул, показали, что в 74% образцов содержание кальция и магния было высоким, а содержание алюминия – нулевым. В этих случаях, очевидно, единственным эффектом /Известкования будет только повышение уровня рН почвы (Jacobscn, Branco, 1994 г.), поэтому особого смысла в проведении данной операции нет. Обработка известью должна производиться, главным образом, при высоком содержании токсичных алюминия и марганца.

Внесение удобрений с аккумулированием питательных веществ в почве представляет собой более интересную альтернативу в средне- и долгосрочной перспективе по сравнению с высвобождением питательных веществ вследствие повышения рН почвы при внесении извести.
При принятии решения относительно известкования следует принять во внимание время года и выбрать для проведения операции сухой период с целью уменьшения уплотнения почвы. При проведении известкования следует отдать предложение участкам, где впоследствии будет сеяться соя, так как в этом случае экономический возврат будет выше, чем для кукурузы (Рисунок 23). Ввиду медленного просачивания рекомендуется обрабатывать поверхность почвы малыми дозами продукта (применю треть от нормы). При этом почвы с недостаточным содержанием магния лучше обрабатывать доломитовой известью, а почвы с недостатком кальция и избытком магния – кальцитной известью.

Вопрос о том, как вносить известь – на поверхность почвы или в более глубокие слои – весьма спорный и является предметом бурных дебатов. Отдельные эксперты рекомендуют вносить известь в почву и смешивать с пахотным слоем, представляя убедительные аргументы физического и химического характера. Другие вносят известь на поверхность почвы и также получают отличные результаты урожайности, отмечая адекватный уровень содержания питательных веществ в различных слоях почвы.

При ПП известь, внесенная на поверхность, может просачиваться в более глубокие слои почвы через трещины, галереи, покрытые насекомыми и другими животными, через отверстия, проделанные корнями как погибших, так и развивающихся растений.

Внесение извести на линии сева при ТП дает хорошие результаты в виде повышения урожайности сои. При принятии решения о необходимости внесения извести следует основываться на результатах анализа почвы, принимая во внимание уровень содержания алюминия, кальция и магния и потребности культур, которые предстоит сеять на рассматриваемом участке, в этих элементах.

В условиях ПП однозначных рекомендаций по внесению извести на линии сева нет. Содержание кальция, магния, алюминия и марганца в почве на плантациях под ПП обычно находится в пределах нормы. Поэтому, возможно, вместо известкования лучше увеличить дозу вносимых удобрений.

Процесс разложения пожнивных остатков, находящихся на поверхности почвы на полях под ПП, проходит примерно так же, как и в условиях естественных полей и лесов. В поверхностном слое почвы (органическом горизонте) имеет место повышенная концентрация растительных остатков. Теоретически, деятельность микроорганизмов приводит к иммобилизации азота и высвобождению гидроксилов, следствием чего является повышение кислотности почвы. Между тем результаты анализов, проведенных в различных слоях почвы, показывают, что уровень рН выше в самом верхнем слое почвы - именно там, где выше концентрация органического материала. Следовательно, нет необходимости вносить известь на поверхность для коррекции возможных проблем с кислотностью, которые, теоретически, должны были иметь место, но на практике отсутствуют. Органический материал обладает более мощными буферными свойствами, компенсирующими его потенциал повышать кислотность почвы.

В нормальных условиях повысить содержание органического материала (ОМ) в почве достаточно трудно. На плантациях под ПП происходит концентрация ОМ в поверхностном слое, образуя органический горизонт, подобный наблюдаемому в естественных экосистемах.

На плантациях под ТП формирования органического горизонта не происходит, так как вспашка и боронование провоцируют гомогенизацию пахотного слоя. В действительности в этих условиях имеет место снижение содержания ОМ ввиду смешивания пожнивных остатков с землей и аэрации почвы вследствие вспашки, но главное - из-за потерь углерода в форме газообразных выделений (СО₂).

В регионах с влажным и холодным климатом можно достигнуть увеличения содержании ОМ в почве, после применения в течение нескольких лет практики ПП с формированием большого слоя пожнивных остатков. Однако в целом эффект будет незначительным содержание ОМ может увеличиться лишь примерно на 1%. В регионах с тропическим климатом существенного увеличения содержания ОМ не происходит, в отличие от стран Северного Полушария, где умеренный и холодный климат, с выпадением снега зимой, снижает активность микроорганизмов, ответственных за разложение органического материала. Создание поверхностного органического слоя на плантациях, где несколько лет применялась практика ПП, способствует концентрации углерода и азота в почве, а также повышению содержания протеина в зерне выращиваемых культур.

Потребности в азоте зависят от типа пожнивных остатков и от содержания углерода, необходимого для их разложения. При соотношении между углеродом и азотом (C/N), превышающем 30, происходит иммобилизация азота. Это происходит с пожнивными остатками кукурузы и овса (Рисунки 13, 14, 15). Когда соотношение С/N находится в пределах 20-30, устанавливается равновесие между азотом, потребляемым при разложении пожнивных остатков, и минерализованным вследствие деятельности микроорганизмов. Если соотношение С/N ниже 20, то происходит минерализация азота, т.е. высвобождение элемента происходит быстрее, чем иммобилизация.
В первые годы применения ПП процесс разложения пожнивных остатков, расположенных на поверхности почвы, приводит к иммобилизации азота. Культуры с объемной корневой массой, такие как итальянский райграс и овес, могут, в ходе разложения после десикации, способствовать иммобилизации азотам, что приводит к появлению соответствующих симптомов у растений, высеваемых в следующий сезон культур. Эти симптомы часто по ошибке принимаются с атлелопатией.

После нескольких лет применения ПП и накопления слоя пожнивных остатков на поверхности почвы, устанавливается равновесие между потребностями в азоте и его высвобождением. Помимо этого, процесс переработки азота происходит непрерывно, как это имеет место в природе.

Извлечение азота из почвы зависит от вида выращиваемых растений и от стадии развития урожая. В случае кукурузы, азот  интенсивнее всего потребляется в период от 30 до 60 дней после сева (Рисунок21). Внесение азота или его высвобождение вследствие разложения органического материала должно производиться в соответствии с потребностями растений в данном элементе на конкретной фазе развития.

Заинтересованность сельхозпроизводителей в ускорении разложения пожнивных остатков (ввиду болезней растений) является еще одним фактором, который следует принять во внимание при принятии решения о внесении азота в почву.

Внесение больших доз азота на линии сева может спровоцировать засоление среды, где происходит развитие корней, и вызвать гибель семян и ростков. Избыток азота может обусловить дисбаланс в почве и вызвать появление у растений симптомов недостатка других питательных веществ.

Сельхозпроизводители в других странах используют для внесения смесь азота с кальцием и магнием для покрытия возможного дефицита этих элементов. Ввиду снижения необходимости в коррекции рН почвы с помощью известкования, дефицит кальция и магния, содержащихся в извести, может быть покрыт за счет добавления этих элементов во вносимые азотные препараты.

Фосфор является макроэлементом с низкой мобильностью. Он остается в местах, куда был внесен, не растворяется и не проникает вглубь почвы вместе с дождевой водой. Фосфор может смешиваться с почвой посредством его перемещения насекомыми, дождевыми червями и другими животными, а также вследствие проникновения через трещины, образованными эрозией, галереи, проделанные животными. Фосфор является одним из важнейших элементов для почв Бразилии, обычно страдающих его недостатком. На естественных полях и в лесах, а также на плантациях под ПП наибольшая концентрация фосфора отмечается в поверхностном слое почвы (Рисунки 24,25,26 и 27). В условиях ПП, при внесении фосфора на линию сева, содержание данного элемента в верхнем 5 см слое почвы может сильно изменяться в последующие годы (Рисунок 25). Концентрация фосфора в верхнем слое почвы не является поводом для беспокойства, так как корни развиваются именно в этой среде, при условии наличия объемного слоя пожнивных остатков на поверхности.

Рисунок 24. Содержание фосфора в различных слоях почвы на плантациях под прямым посевом. Регион Кампуш-Жеранс, штат Парана
(Источник:S?, 1993г.)

Рисунок 25. Содержание фосфора в разлиыных слоях почвы и в остатках полостей личинок Diloboderus abderus на плантации под прямым посевом (6 лет), регион Эрнештина, штат Риу-Гранди-ду-Сул
(Источник:Gassen, Kochhanr, 1993 г.)

Рисунок 26. Содержание фосфора в различных слоях почвы и в остатках полостей личинок Bothynus medon на плантации под прямым посевом (10 лет), регион Гуарапуава, штат Парана
(Источник: Gassen, 1993г.)

Рисунок 27. Распределение и эффективное содержание фосфора на плантациях под прямым посевом (ПП) и при традиционной подготовке почвы (ТП)

Содержание фосфора на поверхности почвы зависит от типа почвы, внесенной дозы элемента, а также времени, в течение которого на данном иоле применяется практика ПП. Обычно наиболее высокое содержание фосфора отмечается в слое глубиной до 10 см (Рисунки 24, 25, 26 и 27). Важно отметить, что при ПП эффективное содержание фосфора, несмотря на его концентрацию на поверхности, превышает аналогичный показатель, характерный для ТП, при внесении в почвы равных доз элемента (Рисунок 27). Это подтверждает наблюдения сельхозпроизводителей, снижающих дозы вносимых удобрений после нескольких лет применения ПП.

Основываясь на данных о поглощении калия растениями и на мобильности и растворимости данного элемента в почве, некоторые специалисты рекомендуют вносить калий в покровный слой, по аналогии с азотом. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что при внесении калия в семенную борозду урожайность выращиваемых культур такая же, как и в случае поверхностного распределения данного элемента по поверхности и в покровном слое. В случае возникновения трудностей с выбором формы внесения калия для адекватного покрытия потребностей растений, можно порекомендовать внесение элемента в ходе сева, смешивая его с препаратами азота и распределяя по поверхности.

Калий, в отличие от фосфора, частично растворяется в воде и проникает в более глубокие слои почвы. Наибольшая концентрация калия отмечается в поверхностном слое, глубиной до 5 см. На глубине от 5 до 15 см содержание калия может заметно колебаться (Рисунки 28 и 29).

Рисунок 28. Содержание калия в различных слоях почвы и в остатках полостей личинок на плантации под прямым посевом (6 лет), регион Эрнештина, штат Риу-Гранди-ду-Сул
(Источник: Gassen, 1993г.)

Рисунок 29. Содержание калия в различных слоях почвы и в остатках полостей личинок на плантации под прямым посевом (10 лет), регион Гуарапуава, штат Парана
(Источник: Gassen, 1993г.)

В течение многих лет предпочтение при внесении питательных веществ отдавалось фосфору, что способствовало поддержанию адекватной концентрации данного элемента в почве. Содержание калия в изначальных почвах было адекватным, однако по мере использования почв возмещении калия было недостаточным. Создавшийся вследствие этого дефицит элемента стал одним из важных факторов снижения потенциала урожайности выращиваемых культур.

Внесение питательных веществ на поверхность почвы является практикой, применяемой некоторыми сельхозпроизводителями, показывающей хорошие результаты в отношении получаемой урожайности. Питательные вещества могут распределяться на всей площади или на узких полосах почвы - перед прохождением дискового ножа сеялки. На естественных полях и лугах концентрация питательных веществ происходит на поверхности почвы, что связано с влиянием гумуса и наиболее устойчивых органических форм. С учетом разложения растительных остатков и размещения листьев и органического материала на поверхности, данный процесс происходит также на плантациях подПП. Концентрация питательных веществ в поверхностном слое почвы является общей тенденцией, присущей естественным полям, лугам и плантациям подПП.Корни растений при этом также концентрируются в указанном слое почвы.

В зависимости от потребностей растений, питательные вещества могут быть классифицированы на макро- и микроэлементы. Зачастую, благодаря маркетинговым усилиям, фирмам-производителям удается продавать больше удобрений, чем это в действительности требуется для выращивания растений. Обычно исследования показывают отсутствие необходимости внесения микроэлементов по причине экономической нецелесообразности.

Дисбаланс питательных веществ, вызванный внесением большого количества удобрений на линии сева при ПП. может спровоцировать появление симптомов нехватки некоторых элементов у растений, находящихся на начальной стадии развития. Нужно отметить, однако, что молибден может высвобождаться при внесении извести. Избыток фосфора и неадекватно распределенная известь могут привести к индуцированному дефициту цинка. В процессе роста корней указанный дисбаланс проявляется все меньше, а симптомы дефицита некоторых микроэлементов  растений исчезают.

Некоторые культуры требуют повышенного содержания в почве некоторых питательных микроэлементов. Например, люпин нуждается в большом количестве бора, а соя - в молибдене.

Необходимость внесения питательных микроэлементов зависит от выращиваемой культуры, от ротации культур, структуры и механического состава почвы и запланированной урожайности. Рекомендации по внесению питательных веществ должны основываться на данных лабораторных анализов и, в особенности, на исторических данных о производстве конкретной культуры.