Удобрения — это источник биогенных элементов, т. е. пищи для растений, которые берут эти элементы или из почвы, если они находятся в доступном состоянии, или из вносимых удобрений.
И те, и другие формы питательных элементов растения в одинаковой степени используют для создания урожая. Наличие в почве доступных для растений форм питательных элементов в должном соотношении является одним из основных условий формирования высоких урожаев.
Вопросы питания растений и баланса питательных веществ в земледелии давно интересовали исследователей. Однако по-настоящему это направление в агрохимии стало развиваться с появлением труда Ю. Либиха (1840) «Химия в приложении к земледелию и физиологии» и его учения о полном возврате в почву всех минеральных веществ, взятых из нее урожаем растений. Несмотря на ошибочность некоторых положений Либиха, его учение впоследствии сыграло большую роль в формировании науки о балансе и круговороте питательных веществ в земледелии.
К. А. Тимирязев в своей книге «Земледелие и физиология растений» писал: «Учение о необходимости возврата представляет, как бы ни пытались ограничить его значение, одно из величайших приобретений науки».
Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу много внимания уделял основоположник советской агрохимии Д. Н. Прянишников. Он отмечал, что развитие химической промышленности становится одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии. Массовое применение удобрений, основанное на развитии крупной химической промышленности, он считал одним из мощных факторов не только поддержания плодородия на постоянном уровне, но и дальнейшего его повышения.
Научное обоснование баланса питательных элементов имеет большое значение в условиях интенсивного земледелия. Баланс позволяет оценить и совершенствовать системы удобрения, прогнозировать потребности в удобрениях, планировать их производство и зональное распределение в стране.
Изучение круговорота и баланса питательных веществ в земледелии является одной из важнейших задач агрономической химии. Создание необходимых условий для рационального круговорота питательных веществ в земледелии, их положительный баланс создают предпосылки для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и улучшения качества урожая. Это подтверждается агрохимической наукой и практикой отечественного и зарубежного земледелия.
А. В. Петербургский (1979) дал наиболее полное обоснование баланса азота, фосфора, калия. Он отмечал, что ни в одной стране мира урожаи не могли стать высокими, прежде чем сложились основные принципы новой науки — агрономической химии, которая предложила способ получения первого минерального удобрения и, открыв законы питания растений, обосновала управление ими с помощью удобрений. Научно-технический прогресс в области химизации земледелия направлен прежде всего на управление круговоротом питательных веществ в земледелии, создание активного их баланса благодаря применению минеральных удобрений. Это одно из важнейших условий интенсивного земледелия.
Советскими учеными многое сделано для теоретического обоснования высоких темпов химизации отечественного земледелия. Практика подтвердила высокую жизненность этих научных разработок.
При условии возврата в почву питательных веществ, отчужденных с урожаем, растения с каждым годом улучшают свое развитие, захватывают из окружающей среды (атмосферы и верхних слоев земли) все большее количество биогенных элементов в свою сферу и тем самым способствуют возрастанию эффективного плодородия почвы. Нарушение баланса макро — и микроэлементов может существенно изменить химизм растении и нарушить нормальное питание животных и человека. Если удобрения применять без учета закона возврата питательных веществ, то они могут ухудшить состав растения и, наоборот, при правильном использовании удобрений — улучшить его, а следовательно, повлиять и на укрепление здоровья человека и животных. Прав и П. А. Баранов (1976), когда пишет, что минеральные удобрения как средство интенсификации земледелия по своему химическому составу не инородны живой природе и при разумном применении являются мощным фактором ее развития.
Удобрения призваны улучшать круговорот питательных элементов в земледелии, что должно способствовать не только сохранению, но и улучшению окружающей среды. Все это несомненно положительно скажется на количестве получаемой продукции и химическом ее составе. Нарушение баланса питательных веществ в земледелии ведет к ухудшению химического состава почвы, природных вод, а следовательно, и растений. Это, в свою очередь, отрицательно влияет на качество и питательную ценность сельскохозяйственной продукции и может привести к функциональным заболеваниям человека и животных. Известны, например, болезни, связанные с недостатком йода (эндемический зоб), фтора (кариес зубов), а также с избытком фтора (флюороз), стронция (уровская болезнь), молибдена (подагра) и т. д. По мнению В. В. Ковальского, атеросклерозу, как правило, сопутствует повышенное содержание в крови марганца и пониженное — никеля и меди; при ишемической болезни сердца находят пониженное содержание в крови цинка, в сыворотке крови при гипертоническом кризе — избыток меди и недостаток кобальта и цинка, сахарный диабет сопровождается падением концентрации в крови марганца.
В. В. Ковальский ввел понятие о критических, или пороговых, концентрациях элементов в среде, выше или ниже которых наблюдается определенная биологическая реакция (в том числе и заболевание). Им предложено также понятие об оптимальном содержании химических элементов в окружающей среде, т. е. о таком их содержании в продуктах питания, воде, воздухе, которое наилучшим образом обеспечивает потребность человека.
В естественных биоценозах достигается замкнутый цикл биогенных элементов. В искусственных агроценозах происходит разрыв этого цикла в связи с отчуждением на получение урожая и значительными потерями элементов питания при эрозии, инфильтрации и улетучивании.
В природе трудно найти ландшафты, где естественная продукция и вода имели бы оптимальное соотношение всех химических элементов в соответствии с требованиями живого организма. Устранение дефицита отдельных химических элементов, создание условий для получения высокого урожая полноценной по химическому составу продукции стали возможными благодаря научно-техническому прогрессу в сельском хозяйстве, химизации земледелия. Применение макро — и микроэлементов позволяет получать продукцию сельского хозяйства с заданным качеством.
А. Н. Перельман (1975) важнейшей практической задачей науки о геохимии ландшафтов считает создание оптимальных культурных ландшафтов для различных природных районов в соответствии с их специализацией. Например, в лесной зоне выпадает много атмосферных осадков, однако недостаток химических элементов в почве снижает продуктивность сельского хозяйства. Применяя минеральные удобрения, минеральную подкормку домашних животных, осушая болота, мобилизуя внутренние ресурсы ландшафта, человек обеспечивает растения и домашних животных необходимыми элементами, т. е. создает культурный ландшафт с оптимальным геохимическим режимом, в котором сочетаются положительные качества как лесного (изобилие влаги), так и степного ландшафта (плодородие почв). Такой ландшафт является наилучшим в гигиеническом отношении и отвечает оптимальным условиям для жизни человечества.
Д. Н. Прянишников в системе почва — растение допускал дефицит по азоту и калию (соответственно 14 и 20—22 кг/га в среднем по стране). Он считал, что ассимиляция азота свободноживущими бактериями и поступление азота в почву с атмосферными осадками перекрывают дефицит азота, что позволяет поднять урожай зерновых до сравнительно высокого уровня 20—25 ц/га. Дефицит же калия может безболезненно компенсироваться постоянной мобилизацией малоусвояемых (необменных) форм этого элемента почвы и переходом их в доступное для растений состояние. Это положение было оправдано в условиях экстенсивного земледелия. Однако нужно помнить, что такой подход к балансу и круговороту питательных элементов в земледелии Д. Н. Прянишников допускал, оперируя данными двадцатых и тридцатых годов, когда в европейских странах урожай зерновых в 20—25 ц/га считался достаточно высоким. Сейчас урожаи возросли по крайней мере в 2 раза. Интенсификация земледелия существенно изменила и характер баланса питательных веществ. В большей части индустриально развитых капиталистических стран он стал более активным по сравнению с балансом этих элементов в мире.
Примерные расчеты показывают, что в 1970—1971 гг. баланс питательных элементов в мире складывался следующим образом: вынесено урожаями 220 млн. т, внесено с удобрениями 142 млн. т. Следовательно, только примерно на 60% урожай формировался за счет удобрений. С 1960 по 1976 г. мировое потребление азота возросло в 4,2 раза, фосфора — в 2,4, калия в 2,5 раза. В социалистических странах Европы за этот же период резко возросло применение минеральных удобрений, что обеспечило положительный баланс питательных веществ в земледелии. Это можно видеть на примере Венгрии, которая в последние годы занимает передовые позиции по урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства.
В последние годы внесение удобрений значительно опережало вынос питательных элементов высокими урожаями сельскохозяйственных культур. Это происходило главным образом благодаря увеличению применения минеральных удобрений; с навозом вынос компенсировался примерно на 15%.
Рассмотрим, как складывался баланс питательных веществ в некоторых развитых капиталистических странах. В США уже в 1969 г. возмещение удобрениями превышало вынос с урожаями по азоту на 42%, по фосфору на 22%; по калию баланс был отрицательным (—40%). Во Франции в том же году баланс по азоту и фосфору был положительным, внесение их превышало вынос соответственно на 22 и 125%, по калию наблюдался незначительный дефицит (—13%). В ФРГ в 1971 г. внесение минеральных удобрений перекрывало вынос питательных веществ урожаями по азоту на 86%, по фосфору на 120, по калию на 61%, т. е. баланс питательных веществ был высокоположительным. Эти примеры подтверждают, что интенсификация сельского хозяйства неразрывно связана с ростом применения минеральных удобрений.
В нашей стране потребность земледелия в минеральных туках в настоящее время еще не удовлетворяется. Урожаи сельскохозяйственной продукции пока еще формируются в значительной мере за счет естественного плодородия почвы.
По расчетам А. В. Петербургского и А. Ю. Кудеярова (1977), в среднем за семь лет вынос элементов питания урожаями восполнялся минеральными удобрениями: по азоту на 56%, по фосфору на 78, по калию на 25%. По годам в связи с резким увеличением поставок удобрений сельскому хозяйству роль их в восполнении выноса азота, фосфора и калия значительно возрастает. Особенно резкий отрицательный баланс питательных веществ в стране отмечается при возделывании зерновых культур. Так, в среднем за 5 лет на этих культурах он составил: по азоту 40%, по фосфору 12, по калию 51%. В последующие годы в связи с ростом применения минеральных удобрений баланс питательных веществ в земледелии нашей страны несколько улучшился, однако по-прежнему оставался в основном отрицательным.
Согласно балансовым расчетам, потребность в удобрениях основных сельскохозяйственных культур для достижения урожаев примерно вдвое больших (зерновые — 30 ц/га, картофель — 200, овощные — 300, сахарная свекла — 300, подсолнечник — 15, кукуруза на силос — 300, сено многолетних трав — 60 ц/га) характеризуется величинами.
Авторы допускают, что третью часть общей потребности растений в азоте и половину потребности в фосфоре и калин обеспечивают почвенные ресурсы. Коэффициенты использования азота и калия из удобрений приняты равными 60%, фосфора — 25%. Принято также, что с осадками в почву в расчете на 1 га посевов поступает 5 кг N, благодаря фиксации свободноживущими микроорганизмами — 3 кг. Фиксация азота бобовыми культурами при урожае сена 60 ц/га обеспечивает накопление азота в почве 60 кг/га. Вследствие вымывания от внесенного количества теряется 5% азота и 3% калия, 10% азота улетучивается при денитрификации.
С учетом темпов роста поголовья скота в стране в ближайшей перспективе может быть получено около 1 млрд. т органических удобрений, что составит 4 млн. т азота, 1,8 млн. т фосфора и 4,2 млн. т калия. Следовательно, в виде минеральных удобрений в почву необходимо будет внести, по расчетам авторов, 15 млн. т N, 14 млн. т Р2O5 и 13,3 млн. т К2O, что в сумме составляет 42,3 млн. т. Эта цифра кажется довольно внушительной, если учесть, что в 1976 г. поставки минеральных удобрений сельскому хозяйству составили около 18 млн. т питательных веществ.
При рассмотрении состояния круговорота питательных веществ в земледелии, а соответственно и баланса их в связи с применением удобрений важно учитывать уровень получаемых урожаев сельскохозяйственных культур. В противном случае рассмотрение баланса питательных веществ становится беспредметным.
Можно привести пример по Белорусской ССР. За последние годы в республике резко увеличилось применение минеральных удобрений, что совместно с другими мероприятиями привело к существенному росту урожаев. В ряде районов республики средний урожай зерновых составил 30 ц/га и более. Улучшился и баланс питательных веществ. Если в 1964—1966 гг. по азоту и калию он был отрицательным (соответственно 11 и 7,6 кг/га), а по фосфору положительным (11 кг/га), то в 1973— 1974 гг. дефицит по азоту составил 8,6 кг/га, а по фосфору и калию баланс был положительным (соответственно 22,3 и 15,2 кг/га). Однако анализ состояния баланса в республике показал, что он был менее благополучным в районах, где получают сравнительно высокие урожаи сельскохозяйственных культур.
Из приведенных данных видно, что с ростом урожаев снижаются положительные величины баланса фосфора и калия и значительно возрастает дефицит азота. Следовательно, при определении и сравнительной оценке баланса питательных веществ важно учитывать уровень продуктивности земледелия.
Многим районам Центрально-Черноземной зоны присущ отрицательный баланс питательных элементов даже при сравнительно невысоких урожаях сельскохозяйственных культур.
В среднем по Центрально-Черноземной зоне дефицит азота составил по 1973 и 1976 гг. 65 и 47% от выноса (48 и 35 кг/га). Если дефицит азота восполнять за счет гумуса почвы, то ежегодная минерализация его в пахотном слое исследуемых почв достигнет 600—900 кг/га. Это составит в типичных, обыкновенных и выщелоченных черноземах 0,4—0,5%, в оподзоленных, южных черноземах и темно-серых лесных почвах — 0,5—0,7%. а в серых и светло-серых лесных почвах — 0,8—1% общих запасов гумуса в пахотном слое.
Между тем уровень химизации земледелия в Центрально-Черноземной зоне остается еще довольно низким. В 1976 г. средний уровень удобренности азотом там составил 39 кг питательных веществ на 1 га. А. П. Щербаков (1978) подсчитал, что для увеличения урожаев основных сельскохозяйственных культур примерно в 2 раза в почву необходимо внести в среднем 110 кг азота на 1 га (с учетом того, что половина азота, необходимого для получения запланированного урожая, поступает из почвенных запасов). Если допустить, что из почвенных запасов будет усваиваться треть общей потребности растений в азоте, то азота необходимо вносить в среднем 150 кг/га.
В то же время в большей части земледельческих зон нашей страны рекомендации по нормам применения удобрений обычно даются для получения определенного уровня урожая. Они не рассчитаны на систематическое повышение и даже недостаточны для поддержания существующего уровня плодородия почвы. В таких случаях урожай обеспечивается в основном мобилизацией питательных веществ почвы; отсюда и отрицательный баланс основных питательных веществ.
Баланс питательных веществ, например на Кубани, складывался следующим образом. В период 1961—1965 гг. на 1 га вносили по 1,5 ц минеральных и 1,1 т органических удобрений, что обеспечивало восполнение выноса азота только на 18%, фосфора — на 36 и калия — на 20%. В 1968—1975 гг. вносили по 4,5 ц минеральных и 2,5 т органических удобрений. Это восполняло вынос азота и фосфора только на 59%, калия — на 27%.
Наиболее напряженный в эти годы был дефицит калия и азота; в меньшей мере проявился дефицит фосфора. Однако это не снимает проблему удобрения полей Кубани фосфором. Наоборот, 2/3 посевов нуждаются в применении повышенных доз фосфорных удобрений. По данным агрохимического обследования в 1971 — 1977 гг. почвы с очень низким и низким содержанием подвижных фосфатов на Кубани занимают 46% всей площади пашни, а со средней обеспеченностью — 38%. Особенно резкий отрицательный баланс питательных веществ складывается в Сибири.
За 15 лет (1961—1975 гг.) общий вынос элементов питания с урожаем составил 25,5 млн. т, из них в Западной Сибири — 17,8, в Восточной — 7,7 млн. т, что в среднем составило около 970 кг/га пашни. Из почв было отчуждено 19,1 млн. т питательных веществ, или 726 кг/га.
В ряде зон страны, особенно в районах достаточного увлажнения и при орошении, необходимо постоянно совершенствовать рекомендуемые нормы удобрений. Так, в Украинском научно-исследовательском институте орошаемого земледелия изучали баланс азота, фосфора и калия при внесении удобрений в рекомендованных нормах и определяли, является ли норма удобрений, обеспечивающая наиболее высокий урожай в данном опыте, достаточной для компенсации выноса питательных веществ из почвы.
Исследования проводили в длительном опыте в орошаемых условиях в двух севооборотных клиньях с чередованием культур: сахарная свекла, кукуруза на силос, озимая пшеница + пожнивная кукуруза, люцерна (три года), озимая пшеница. Почва опытного участка темно-каштановая среднесуглинистая. Удобрения вносили в следующих нормах (в сумме за 3 года): под сахарную свеклу N130P90K30, кукурузу на силос N150P90K30, озимую пшеницу N90P40K30, кукурузу на силос N150P90K30,озимую пшеницу (вторую) N90P40K30, пожнивную кукурузу N120P30K30, люцерну N65P100K30.
Опыты показали, что при рекомендованных нормах удобрений положительный баланс по азоту складывается только при возделывании в севообороте люцерны и при условии высоких ее урожаев. Причем, как и в других районах страны, в первом минимуме был азот, фосфор же был эффективен на фоне азота. Но применяемые нормы фосфорных удобрений далеко не компенсировали его вынос урожаями сельскохозяйственных культур. Это необходимо подчеркнуть, так как большинство исследователей отмечают накопление фосфора в почве при систематическом применении фосфорных удобрений и обычно складывающийся при этом положительный баланс. Резко отрицательный баланс в этих опытах был и по калию.
Интересно отметить, что даже при резко отрицательном балансе калия в этом опыте не отмечено резкого уменьшения подвижных форм калия. Это можно объяснить высокими валовыми запасами его в почве, а также переходом под влиянием орошения и других факторов почвенных труднорастворимых запасов калия в доступную для растений форму.
Исследование баланса питательных веществ важно не только с точки зрения определения интенсивности систем земледелия, но и для предотвращения возможных потерь удобрений в окружающую среду. В этом отношении представляют интерес исследования Института агрохимии и почвоведения АН СССР по региональному балансу азота в бассейне р. Скниги, правого притока р. Оки, площадью 34 600 га и в Марьяно-Чебургольской оросительной системе Краснодарского края на площади 16 400 га.
Водосборная территория р. Скниги включает в себя в основном районы с применением малых и умеренных доз минеральных удобрений. Исследования показали, что если в 1967 г. поступление азота с минеральными удобрениями составило около 37%, то в 1976 г. — 69%. За изучаемый период поступление азота с минеральными удобрениями увеличилось в 5 раз, и эта статья прихода стала доминирующей в числе основных источников азота. Концентрация общего азота (водорастворимый органический азот, нитраты, аммоний) в поверхностных водах возросла с 2 до 3,5 мг/л, а концентрация нитратного азота в грунтовых водах увеличилась в среднем в 8 раз.
Поступление азота в Марьяно-Чебургольскую оросительную сеть составляло 193 кг/га в год, а общее количество удаляемого из системы азота — 195 кг/га. В условиях орошаемого земледелия при выращивании риса приходные и расходные статьи баланса азота были практически уравновешены. В семилетних исследованиях не обнаружено также заметного увеличения концентрации азота в грунтовых и поверхностных водах в пределах оросительной системы. Однако обращается внимание на низкий коэффициент использования азота (30%) рисом. Поэтому значительные потери азота могут вызвать на этой территории эвтрофикацию природных вод.
В связи с интенсивной индустриализацией поступление некоторых элементов питания растений, помимо удобрений, во многих районах составляет значительные величины. Так, И. С. Шатилов и др. (1979) отмечают, что в среднем в год (за 1967—1976 гг.) с осадками выпало: окисла серы (SO4") 106 кг, хлора 40,2, гидрокарбоната (HCO3) 25, магния 17, кальция 12,3, натрия 5,3, калия 4,2, азота (аммиачного, нитратного и нитритного) 9,5, фосфора 0,15 кг на 1 га земной поверхности. Количество серы в осадках значительно превышает потребность в этом элементе многих полевых культур. Поступление азота с годовыми осадками за исследованный период колебалось от 6,9 до 11,1 кг/га, калия от 2,3 до 7,2, кальция — от 4,2 до 36,4, магния — от 2,9 до 37,6 кг/га.
В период интенсивного развития химизации земледелия определение баланса питательных элементов приобретает важное теоретическое и практическое значение. Балансовый расчет позволяет не только планировать уровень урожая сельскохозяйственных культур, но и повышать эффективное плодородие почвы. В ряде земледельческих зон страны благодаря применению минеральных и органических удобрений в сочетании с другими приемами агротехники (особенно травосеяние и сидерация) создается и поддерживается высокое плодородие пахотного слоя почвы.
В свое время В. А. Францесон (1939) отмечал, что при длительном и обильном унавоживании дерново-подзолистой почвы создается новая более плодородная почва со специфическим профилем. Примером искусственного создания высокоплодородных почв в любой зоне являются старые огороды, конопляники, староорошаемые культурные почвы и др.
В опытах на выщелоченном среднесуглинистом черноземе Алтая В. А. Олифер и В. П. Старостенко (1976) изучали баланс питательных элементов. При внесении под яровую пшеницу N60P60K60 баланс суммы этих элементов складывался отрицательный; на варианте N90P90K60 возврат элементов в почву повышался со 108 без удобрений до 265 кг/га, т. е. перекрывал вынос их урожаем зерна и соломы. Внесение N100P40K30 под кукурузу повышало возврат элементов в почву до 277 кг/га, однако не компенсировало выноса их урожаем зеленой массы (404 кг/га). Положительный баланс элементов питания и устойчиво высокий урожай достигали при сочетании N90P90K60 и 20 т/га навоза.
По данным Л. И. Кораблевой и Т. И. Рындина (1976), при внесении N140P45K145 на легких и N180P45K260 на тяжелых и пойменных почвах и при получении средних урожаев овощных культур 310 и 600 ц/га отмечалось значительное превышение поступления элементов питания над их выносом. На окультуренных пойменных почвах складывался интенсивный баланс питательных веществ.
Расчет баланса питательных веществ — вопрос непростой, и здесь исследователи допускают много условностей. Известно, например, что поступившие с удобрениями питательные вещества не полностью усваиваются растениями. Часть их теряется при вымывании в грунтовые воды и смыве в реки и водоемы, а также из-за газообразных потерь, прежде всего азота. Часть питательных элементов переходит в труднодоступную для растений форму в результате химического поглощения (ретроградация фосфатов), необменной фиксации аммония и калия и других факторов иммобилизации. В этом случае при расчете допускаются коэффициенты усвоения питательных веществ растениями из почв и удобрений, которые носят условный характер. Они динамичны и изменяются в зависимости от природных условий зоны, погоды, свойств и плодородия почвы, уровня химизации, особенностей агротехники, типа и специализации севооборота и т. д. Однако такие расчеты необходимы, так как позволяют существенно влиять на направление и уровень химизации земледелия в той или иной зоне или в конкретном хозяйстве.
Поэтому баланс и круговорот питательных веществ в земледелии следует рассматривать с учетом научно-технического прогресса, увеличения производства продуктов питания для человека и кормов для животных, а также в связи с проблемой систематического повышения плодородия почвы.
Благодаря установленному балансу питательных веществ представляется возможным совершенствовать систему применения удобрений в севообороте или хозяйстве и давать ей агроэкономическую оценку, определять потребности культур в удобрениях при планируемом урожае высокого качества, регулировать применение удобрений с целью увеличения хозяйственно-полезной части урожая.
Расчет баланса питательных веществ — агрохимическая основа для прогнозирования потребности в удобрениях отдельных земледельческих зон и республик страны, определения степени интенсификации земледелия. Он позволяет дать оценку системы удобрения с точки зрения повышения плодородия почвы, а также влияния интенсивного применения удобрений на природную среду и своевременно разработать меры, предотвращающие ее загрязнение.
В зависимости от поставленной цели и программы исследования применяются различные методы балансовых расчетов. Большое научное и практическое значение представляет изучение баланса в длительных опытах с удобрениями. Они дают возможность дать объективную научную оценку основным статьям прихода и расхода питательных веществ, так как все расчеты проводятся на фактическом аналитическом материале. С одной стороны, в таких опытах точно учитывается многолетнее внесение по ротациям севооборота различных питательных элементов с удобрением и вынос их с урожаями. С другой стороны, длительный опыт с удобрениями приближается к практическим условиям. Можно сказать, что он является прототипом будущих полей колхозов и совхозов; этими данными можно пользоваться не только в научных, но и в практических целях. Для объективной оценки круговорота и баланса веществ в земледелии необходимы данные, полученные в многолетних стационарных полевых опытах с изучением не только умеренных, но и высоких доз удобрений, рассчитанных на перспективу. Эти данные позволяют уточнить, а в ряде случаев существенно изменить представление о поведении питательных элементов в системе почва — растение — удобрение.
Учитывая большое научное и практическое значение этих исследований, мы сделали попытку на основании данных о фактических урожаях и выносе основных питательных веществ растениями, полученных в длительных опытах, дать балансовую оценку различным системам удобрения в зависимости от типа почвы и насыщения севооборотов органическими и минеральными удобрениями.
В обобщение были включены материалы 42 длительных опытов, из них 25 проведены на дерново-подзолистой слабо — и среднеокультуренной почве, 8 — на серой лесной и 9 — на черноземной. Длительность опытов колебалась от 6 до 17 лет. Баланс фосфора и калия определяли по разности между поступлением их с удобрениями и выносом с отчуждаемой продукцией. По азоту учитывали следующие статьи прихода и расхода: БN = (Nу + Nс + Nоб) — (Nв + Nпг), где Nу — азот удобрений; Nс — азот, внесенный с семенами; Nоб — обогащение почвы биологическим азотом; Nв — вынос азота растениями (основная и побочная продукция); Nпг — газообразные потери азота. Величину газообразных потерь азота (Nпг) (на основании обобщений Н. И. Борисовой и Б. Н. Макарова) принимали в размере 25% дозы азотных удобрений.
Установлено, что насыщение севооборота минеральными и органическими удобрениями привело к значительному повышению продуктивности. По эффективности в зависимости от вида удобрения системы практически не различались.
На дерново-подзолистой почве (содержание Р2О5 — 3—11 мг/100 г почвы, по Кирсанову) при систематическом (в течение 10 лет и более) применении минеральных и органических удобрений вносилось: азота 18—30, фосфора 15—25 и калия 25—35 кг/га в год. Урожай основной продукции составил 23—26 и зерновых единиц/га при дефицитном балансе питательных веществ. Внесение азота в среднем 40—55, фосфора 35—50 и калия 60 кг/га в год повышало продуктивность севооборота до 28—35 ц зерновых единиц, но отрицательный баланс азота и калия сохранялся. Положительный баланс всех элементов отмечался только при повышенных дозах удобрений, когда ежегодно вносили (в кг/га): азота 90—160, фосфора 70—90 и калия 90—150.
Систематическое применение таких доз удобрений в севооборотах средней интенсивности (12—20% пропашных) обеспечивало продуктивность гектара севооборотной площади 40—45 ц зерновых единиц.
Применение азота до 200—250, фосфора до 140—180 и калия до 300—350 кг/га не приводило к дальнейшему росту урожая, а в отдельных случаях снижало его. Вынос же азота и калия продолжал расти в результате увеличения концентрации этих элементов в растениях, особенно в побочной продукции.
На серых лесных и черноземных почвах более высокий общий уровень продуктивности севооборотов (38—55 ц/га) обусловлен их естественным плодородием. На серых лесных почвах устойчивый положительный баланс фосфора обеспечивался при внесении на 1 га в течение 9 лет по 55 кг Р2O5 на фоне N88K95 при продуктивности севооборота 46,3 ц зерновых единиц/га. Положительный баланс всех элементов наблюдался при дозе N120P82K144 и сборе зерновых единиц за ротацию севооборота 47,9 ц/га.
На черноземных почвах изучали сравнительно небольшое насыщение севооборотов удобрениями. Баланс азота и калия во всех случаях был резко отрицательным.
Эти исследования свидетельствуют об одинаковой направленности влияния органических и минеральных удобрений и их сочетаний на продуктивность севооборотов и баланс питательных веществ. Отмечается лишь некоторое преимущество органо-минеральной системы удобрения по сравнению с органической и минеральной. Баланс питательных элементов при всех системах удобрения определялся количеством их, вносимых с удобрениями, и уровнем продуктивности севооборота.
Положительный баланс азота, фосфора и калия был получен в севообороте с продуктивностью 31—40 ц зерновых единиц/га при внесении в среднем на 1 га севооборотной площади N90-120Р45-80К100-220. Результаты длительных опытов свидетельствуют о том, что при систематическом внесении относительно невысоких доз удобрений на черноземах возможны урожаи в 30—35 ц зерновых единиц/га, но главным образом благодаря мобилизации потенциального плодородия почвы. Баланс всех элементов питания в этом случае дефицитный.
Нa типичном черноземе Курской опытной станции в течение 15 лет урожаи озимой пшеницы составляли 30—35 ц/га, сахарной свеклы 350—400 ц/га без внесения удобрений, но при высокой агротехнике и полном отсутствии сорняков. Это свидетельствует о высоком потенциальном плодородии почв. Докучаев поэтому назвал чернозем ни с чем не сравнимым богатством России.
Важно также отметить, что при одной и той же дозе питательных веществ с повышением интенсификации севооборотов, т. е. с увеличением удельного веса пропашных культур, в них возрастает вынос питательных веществ. Поэтому система удобрения в севооборотах должна быть дифференцированной по насыщенности их питательными элементами с учетом интенсивности специализированных севооборотов и их планируемой продуктивности.
Следовательно, по данным исследований, проведенных в длительных стационарных опытах с удобрениями, можно заключить, что на дерново-подзолистой и серой лесной почвах в севооборотах со средней насыщенностью пропашными культурами оказались эффективными дозы азота и калия по 90—120, фосфора — 70— 90 кг/га севооборотной площади ежегодно. При таком уровне применения удобрений достигается устойчивый положительный баланс фосфора, бездефицитный или положительный баланс азота и калия и обеспечивается устойчивая продуктивность севооборота на дерново-подзолистых почвах в 38—45, а на серых лесных — в 40—50 ц зерновых единиц/га.
На черноземных почвах широко рекомендуемая для колхозов и совхозов средняя доза N40-60P40-60K40-60 обеспечивает относительно высокую продуктивность севооборота (45—55 ц зерновых единиц/га) и бездефицитный или положительный баланс фосфора. Однако эти дозы не компенсируют вынос растениями азота и калия. Формирование урожаев на этих почвах идет в значительной мере за счет азота почвы при минерализации почвенного органического вещества.
Для гарантированной высокой эффективности удобрений необходимо знать характер изменения плодородия почв, что можно выявить только в длительных опытах с удобрением культур. Длительные опыты обеспечивают уникальные стандартизированные условия при изучении влияния погоды на сельскохозяйственные культуры, почву и эффективность удобрений. В то же время длительные опыты позволяют проводить глубокие комплексные исследования, изучение основных факторов плодородия, роста и развития растений, формирования урожая культур.
Обобщение известных длительных полевых опытов с удобрениями в Англии позволило решить ряд актуальных вопросов современного земледелия: сравнение действия минеральных и органических удобрений, изменение запасов гумуса, азота, фосфора и калия в почвах в зависимости от севооборота и удобрения, расчет баланса основных питательных веществ, освобождение питательных веществ из почвенных запасов, определение остаточных количеств элементов питания из минеральных удобрений и навоза, расчет баланса второстепенных элементов и микроудобрений, разработка методов анализа почв, агрономическая оценка предшественников.
Углубленные исследования круговорота и баланса азота, фосфора, калия и других элементов в длительных опытах в различных почвенно-климатических условиях страны позволяют систематически совершенствовать рекомендации по эффективному применению удобрений с целью рационального использования фондов, выделяемых колхозам или совхозам, а также отдельным земледельческим районам, более обоснованно определять потребность сельского хозяйства в туках на перспективу в целом по стране и отдельным регионам, своевременно принимать необходимые меры по охране окружающей среды от загрязнения.
Для проведения глубоких теоретических исследований с учетом всех статей прихода и расхода большой интерес представляет изучение баланса питательных веществ в лизиметрах. Лизиметрический метод исследования широко используется научно-исследовательскими учреждениями. Он позволяет более глубоко вскрывать закономерности изменения статей баланса и давать им научное объяснение. В этих опытах часто применяют удобрения с мечеными элементами питания. Например, результаты лизиметрических исследований, проведенных ВИУА на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны с применением стабильного изотопа азота 15N, показали, что из внесенного удобрения 30—60% азота используют растения, 15—30% аккумулируется в почве, 10—30% теряется в результате улетучивания газообразных соединений и 1—5% вымывается с лизиметрическими водами.
Для практических целей используют данные по биологическому, хозяйственному и внешнехозяйственному балансам питательных веществ. Биологический баланс достаточно полно охватывает все статьи поступления питательных веществ, вовлекаемых в круговорот, в том числе поступления с корневыми и пожнивными остатками. Его можно использовать при оценке отдельных специализированных севооборотов.
Хозяйственный баланс несколько упрощен. Он основывается на учете выноса питательных веществ с основной и побочной продукцией и компенсации их внесением минеральных и органических удобрений. Обычно этот баланс дает объективную агроэкономическую оценку системе удобрений в хозяйстве, зоне, республике и т. д.
Внешнехозяйственный баланс учитывает отчуждение питательных веществ с товарной продукцией за пределы хозяйства и поступление их с минеральными удобрениями. Он имеет важное значение при правильном распределении удобрений и в значительной мере определяется специализацией хозяйства. Если хозяйства специализируются на производстве товарной продукции (например, свекле), то баланс будет более дефицитным, чем в хозяйствах, специализирующихся на производстве животноводческой продукции на собственной кормовой базе, где значительная часть питательных веществ возвращается в почву.
В приходную часть баланса питательных веществ чаще всего включают следующие источники поступления питательных веществ:
- минеральные удобрения
- органические удобрения
- растительные остатки
- посевной материал
- биологическую фиксацию клубеньковыми и свободноживущими микроорганизмами
- поступление с осадками
в расходную:
- вынос с урожаем основной и побочной продукции
- вынос с растительными остатками
- вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности
- потери в результате возможных эрозионных процессов
- газообразные потери и т. д.
Существуют методики определения каждого источника поступления и расхода питательных веществ. В исследовательских целях количественные величины статей баланса принимаются на основании данных, полученных в эксперименте, а для практических целей чаще всего пользуются справочными данными. Многочисленными исследованиями показано, что довольно часто небольшие статьи расхода (например, потери азота почвы) и поступления питательных веществ (с осадками, благодаря фиксации почвенными микроорганизмами) взаимно погашаются (уравновешиваются).
Хотя статьи баланса хозяйства, зоны, республики носят относительный характер и часто претерпевают существенные изменения в зависимости от природных и хозяйственных факторов, определение баланса питательных веществ имеет важное значение для оценки уровня химизации земледелия. Д. И. Прянишников (1937) в полемике со сторонниками травополья писал: «Я вполне допускаю возможность иных построений, иного соотношения между приходными статьями баланса, чем в моем проекте, но что касается авторов, которые считают ненужным самый учет источников азота, фосфора и калия… и думают, что они знают какой-то секрет получения высоких урожаев без внесения соответствующих количеств удобрений (и без знания агрохимии), то об этих авторах можно только сказать, что они напрасно считают себя «материалистами».
Прежде всего, рассмотрим особенности баланса и круговорота отдельных питательных элементов в земледелии — азота, фосфора и калия. Особый интерес представляет азот — основной носитель жизни.
Для решения проблемы, связанной с круговоротом и балансом азота в системе почва — удобрение — растение — вода, необходимо развивать исследования по следующим наиболее важным научным направлениям:
- количественная и качественная оценка приходорасходных статей азотного баланса в биосфере;
- разработка приемов снижения потерь азота удобрений в окружающую среду, повышение эффективности азотных удобрений;
- разработка точных методов по определению размеров азотнакопления симбиотическими и свободноживущими азотфиксаторами;
- изучение механизма процессов денитрификации в полевых условиях, количественные показатели этих процессов;
- разработка мероприятий по предотвращению загрязнения природных вод остатками азотных удобрений;
- разработка методов контроля предельно допустимых концентраций (ПДК) нитратов и нитритов в воде и товарной продукции сельскохозяйственных культур.
Нельзя забывать и о весьма важной роли биологического азота в земледелии не только как важного источника пополнения запасов питательных элементов, но и как фактора охраны биосферы от загрязнения. К сожалению, роль биологического азота в земледелии иногда недооценивается, хотя, по выражению Д. II. Прянишникова, азот бобовых является даровым азотом. Е. Н. Мишустин и II. И. Черепков (1979) справедливо указывают, что максимальное использование дарового биологического азота бобовых культур благодаря расширению их посевов и подъему урожайности способствует решению проблемы полного удовлетворения населения и животных полноценным, сбалансированным по аминокислотам белком, рационального соотношения биологического и технического азота. По расчетам авторов, исходивших из уровня получаемых урожаев, благодаря деятельности свободноживущих азотфиксаторов азота фиксируется по меньшей мере около 20—25 кг/га в год, а на всей посевной площади нашей страны (220 млн. га) — 4,5 млн. т. Бобовые культуры фиксируют около 3 млн. т азота; следовательно, сумма ежегодного поступления биологического азота составляет около 7,5 млн. т.
Несомненный интерес представляют расчеты Е. П. Трепачева (1979) по соотношению технического и биологического азота в земледелии РСФСР.
Расчеты Е. П. Трепачева показывают, что если для бобовых потребуется азота лишь на 30—35 кг/га меньше, чем для злаковых, то на площади около 30 млн. га это обеспечит экономию в 1 млн. т азота. Если же допустить, что в севообороте после бобовых можно уменьшить дозу на те же 30—35 кг, то это даст еще 1 млн. т азота, а в сумме не менее 2 млн. т. Роль бобовых в охране окружающей среды как раз и состоит в том, что они мало или совсем не требуют азотных удобрений, и тем самым предохраняют реки и водоемы от загрязнения нитратами и в то же время не снижают урожай и качество.
Многочисленные исследования показывают, что внесение минеральных удобрений усиливает мобилизацию азота почвы, а это суживает отношение углерода к азоту (С : N).
Некоторые авторы полагают, что почва представляет собой саморегулирующуюся систему, в которой поддерживается равновесное состояние прихода и расхода минерального азота. При избыточном количестве минерального азота в почве он устраняется из нее в результате денитрификации или вымывания. В этом случае тормозится или полностью исключается процесс биологической азотфиксации.
Азот в почве может накапливаться в том случае, если он поступает в форме органического удобрения. Это и наблюдается в длительных стационарных опытах с удобрениями, когда систематическое внесение навоза приводит к накоплению гумуса, а следовательно, и азота в почве. Поскольку большая часть соединении азота наиболее подвижна, то и загрязнение биосферы более вероятно вследствие неправильного применения прежде всего азотных удобрений.
Анализируя баланс азота в почве за пятилетний период внесения его в полевом севообороте, В. И. Никитишен и др. (1979) отмечают, что вымывание нитратов существенно лишь при высоких дозах азотных удобрений. Из 300, 600 и 900 кг азота, внесенных на 1 га за 5 лет, растениями усваивалось соответственно 55,43 и 33%. В пахотном слое почвы закреплялось 40,32 и 29% азота (преимущественно в органической форме). Количество же нитратов, которое мигрировало на глубину 100—300 см, составляло соответственно 4, 19 и 30%. Неучтенные потери составили 2, 39 и 62 кг/га. Поэтому в условиях Нечерноземной зоны во избежание значительных потерь азота в результате вымывания авторы не рекомендуют вносить в полевых севооборотах азота свыше 120 кг/га в год. В то же время обращается внимание на необходимость изыскания приемов повышения эффективности высоких доз азота (150—200 кг/га) путем оптимизации сроков и способов внесения их в почву, внедрения высокопродуктивных сортов, совершенствования агротехники сельскохозяйственных культур.
Например, в Болгарии в стационарных полевых опытах с удобрениями проводимыми в течение 15 лет в двуполке (кукуруза — пшеница) на различных почвах (карбонатный и выщелоченный чернозем, серая лесная почва, слабооподзоленная коричневая лесная почва), бездефицитный азотный баланс получен при внесении на 1 га в среднем 152 кг азота минеральных удобрений или 111 кг азота минеральных удобрений и 20 т навоза (через год). Это дало возможность получить пшеницы в среднем 42 ц/га, кукурузы 73 ц/га, а за последние 5 лет соответственно 45—60 и 75—90 ц/га. D. Sauerbeck (1979) считает, что специализированные зерновые и свекловодческие хозяйства в настоящее время могут рассчитывать на почти бездефицитный баланс азота только при расходе на 1 га 160—200 кг азота минеральных удобрений при условии снижения их потерь при оптимальных сроках внесения.
Большой научный и практический интерес представляет баланс фосфора в земледелии и его круговорот в экосистемах. Хотя живой организм и требует его примерно в 10 раз меньше, чем азота, но он является важнейшим биогенным элементом. Фосфор не только источник пищи для растений, но и носитель энергии, входящий в состав различных нуклеиновых кислот и т. д.
При дефиците фосфора резко снижается продуктивность растений. В то же время фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почве, как, например, азот. Потребление его запасов в почве на создание урожаев восполняется практически только за счет внесенных фосфорных и органических удобрений.
В атмосфере фосфор находится в основном в составе пыли и в небольшом количестве. Поэтому круговорот фосфора более прост, чем круговорот азота; в него вовлечены лишь почва, вода и растения. Однако на доступность фосфора растениям оказывают влияние многие факторы среды.
Потери фосфора происходят в основном при эрозии почвы в составе мелкозема и жидкого стока. Выщелачивание фосфора на почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава обычно не превышает 1 кг/га, и лишь на легких и торфяных почвах вымывается 3—5 кг фосфора с 1 га.
В большей части районов баланс калия не вызывает тревоги. Это объясняется тем, что, во-первых, высокое естественное содержание элемента в почве ряда земледельческих зон не лимитирует урожай, во-вторых, наша химическая промышленность практически полностью обеспечивает сельское хозяйство страны необходимым количеством калийных удобрений и, в-третьих, наша страна располагает большими запасами калия.
Однако уже сейчас в ряде зон применение повышенных доз азота и фосфора приводит к значительному отрицательному балансу калия, а следовательно, снижению урожая. Обобщение практики химизации в Центрально-Черноземной зоне показало, что на первом этапе применения удобрений в большинстве районов в первом минимуме был фосфор. Затем с увеличением масштабов внесения фосфатов отмечался азотный минимум.
В некоторых районах получение высоких урожаев лимитирует калий. Особенно наглядно это явление можно видеть на примере хлопкосеющих районов. Так, в Сырдарьинской области за десять лет внесено на 1 га — 31 кг, в Ташкентской — 560 кг К2О, тогда как вынос К2O урожаями за это время составил соответственно 1134 и 1402 кг. Это создало дефицит калия в почвах областей. Поэтому в Узбекистане заметно снижаются площади почв с достаточным и высоким уровнем обменного калия. В связи с этим ученые республики правильно считают, что мероприятия, направленные на уменьшение дефицита калия в земледелии Узбекистана, имеют важное значение. Необходимо строго придерживаться рекомендации по применению калийных удобрений.
Естественные потери калия бывают более значительными, чем фосфора. При вымывании могут теряться десятки килограммов калия с 1 га, особенно на легких почвах. Большие потери калия отмечаются в орошаемом земледелии главным образом на почвах, сформированных на лессовых породах (сероземы, черноземы).
На современном этапе химизации сельского хозяйства и в перспективе необходимо определять баланс не только азота, фосфора и калия, но и других элементов, существенно влияющих на урожай и его качество, например кальция, магния, серы, углерода, ряда микроэлементов. Важно учитывать не только вынос этих элементов с урожаями культур, но и все источники поступления.
Рост валовых сборов сельскохозяйственной продукции обеспечивается не только увеличением доз удобрений, но и повышением общей культуры земледелия, применением научно обоснованной технологии выращивания сельскохозяйственных культур, комплекса мелиоративных мероприятий, внедрением новых высокопродуктивных сортов и т. д. Все это не снижает, а повышает роль удобрения как важного фактора интенсивного земледелия.
Потребность нашего земледелия в минеральных удобрениях еще далека от полного удовлетворения. А ведь правильное использование удобрений — это дополнительное производство растениеводческой и животноводческой продукции. Научно обоснованная система применения удобрений базируется как минимум на бездефицитном балансе питательных веществ, ибо она предусматривает систематическое повышение плодородия почв, рост продуктивности сельскохозяйственных культур, улучшение качества продукции, повышение рентабельности сельскохозяйственного производства.
Благодаря интенсивному применению удобрений и высокой культуре земледелия в ряде районов нашей страны малоплодородные земли превращены в высокопродуктивные сельскохозяйственные угодья. Например, в Нечерноземной зоне многие хозяйства, освоив научные системы использования удобрений в комплексе с другими приемами агротехники, получают устойчивые высокие урожаи зерновых культур — 40—50 ц/га. А всего лишь 15—20 лет назад на этих землях урожаи составляли 8—10 ц/га. Интенсивное, научно обоснованное применение удобрений коренным образом изменило плодородие кислых подзолистых почв, урожаи на которых стали приближаться к урожаям, получаемым на кубанских черноземах.
Такое высокоэффективное действие удобрений проявляется не только на пашне, т. е. на продуктивности культур в полевых и кормовых севооборотах. Немало примеров, когда естественные сенокосы и пастбища на поймах и суходолах благодаря коренному их улучшению с использованием рациональной системы удобрений превращаются в культурные высокопродуктивные кормовые угодья. На таких угодьях с хорошо развитой дерниной потери питательных веществ из почвы и удобрений минимальны, так как травостой и корневая система растений препятствуют миграции элементов по профилю почвы и смыву их с поверхности с твердым и жидким стоком. В этом случае реки не загрязняются удобрениями и вода в них вполне пригодна для сельскохозяйственного использования.
Высокопродуктивный растительный покров и высокое плодородие почвы — важнейшее условие снижения потерь питательных элементов в окружающую среду. Это объясняется тем, что растения быстро ассимилируют из почвы подвижные формы питательных элементов, предотвращая их вымывание с поверхностным стоком и грунтовыми водами. Роль растительности в круговороте биогенных элементов особенно четко проявляется в районах, где на водосборной площади уничтожаются деревья и кустарники.
Р. Риклефс (1979) приводит пример, что при полной расчистке площади небольших водосборных бассейнов в лесу Хаббард-Брук (США) количество воды в ручьях увеличилось в несколько раз вследствие уничтожения деревьев с их транспирационной поверхностью; потери катионов возросли в 3—20 раз по сравнению с потерями в сходных ненарушенных системах. Особенно резко изменился азотный режим водосборного бассейна. Растения ассимилировали азот почвы настолько быстро, что ежегодный прирост общего азота в лесу достигал 1—3 кг/га. На обнаженном же водосборном бассейне чистая потеря азота в виде нитратов (NO3) возросла до 59 кг/га в год.
Удобрения следует рассматривать как важнейший фактор улучшения окружающей среды. Повышая плодородие почвы, они способствуют более интенсивному развитию растений, получению большего количества сельскохозяйственной продукции, улучшают ее качество, препятствуют развитию эрозии почвы, а следовательно, делают окружающую среду более чистой, а угодья продуктивнее.