Значительная протяженность территории Российской Федерации, большое разнообразие климатических условий, почвенного покрова и возделываемых культур исключает шаблонный подход к разработке системы удобрения, требует при решении вопросов оптимизации минерального растений и повышения продуктивности пашни, учета региональных особенностей внутрипочвенной трансформации элементов питания и агротехники.
Урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции формируются под влиянием абиотических и биотических факторов жизни. К абиотическим факторам относятся тепло, свет, влага, режим минерального питания, к биотическим — вид и сорт растений, микробиологические процессы трансформации питательных веществ в почве и др. Максимальная продуктивность растений проявляется лишь при гармоничном сочетании всех факторов жизни. Абиотические факторы в настоящее время довольно легко контролируются, однако в полевых условиях лишь некоторые из них регулируются агротехническими приемами.
Ни один из факторов жизни растений не может быть заменен другим, все они играют определенную роль в жизни растений. Еще Ю. Либихом (1840) было показано, что продуктивность сельскохозяйственных культур определяется элементом (фактором), находящимся в минимуме. В то же время оптимизация условий произрастания позволяет несколько снизить негативное действие отдельных лимитирующих факторов. Так, например, улучшение условий минерального питания растений значительно снижает отрицательное действие кислотности почвы на их рост, повышает их устойчивость к болезням и т. д.
Действуя на интенсивность проявления факторов внешней среды, можно в определенной мере регулировать рост и развитие растений. В то же время, на каждом этапе развития растений их требования к условиям среды и роль отдельных факторов постоянно изменяются. Интенсивность воздействия внешних факторов на растения может быть слабым (недостаточным, минимальным), наиболее благоприятным для роста и развития растений (оптимальным) и экстремально высоким (максимальным). Минимум и максимум проявления факторов следует представлять как крайне негативные значения условий, при которых еще возможна жизнь растения. Реакция растений на условия произрастания и их устойчивость к изменению действия отдельных факторов жизни количественно оценивается по интенсивности фотосинтеза и дыхания.
Устойчивость (толерантность) растений к действию неблагоприятных факторам жизни характеризуется их способностью переносить экстремальные для жизни условия. Толерантность растений определяется продолжительностью жизни при экстремальных (минимальных или максимальных) проявлениях отдельных незаменимых факторов жизни. При оптимизации минерального питания диапазон толерантности растений к неблагоприятным условиям значительно увеличивается. Отзывчивость растений на интенсивность действия фактора количественно характеризуется повышением или понижением их продуктивности.
Характер реакции сельскохозяйственных культур на факторы внешней среды необходимо учитывать при разработке технологических приемов получения планируемых урожаев хорошего качества.
Урожайность сельскохозяйственных культур, наряду с интенсивностью фотосинтеза, в значительной мере зависит от активности потребления корневой системой элементов питания, которая в значительной мере контролируется обеспеченностью корней продуктами фотосинтеза, содержанием элементов питания в почве и агрофизическими свойствами почвы (плотность, условия аэрации, водного и температурного режимов), оказывающих непосредственное влияние на развитие и активность корней.
Способность корневой системы обеспечивать растения водой и элементами питания в значительной степени зависит от ее мощности и морфологического строения. Чем больше масса и более разветвленная корневая система растений, тем выше доступность им элементов питания. Растения с мощной корневой системой лучше обеспечены водой и питательными веществами, устойчивее к неблагоприятным внешним условиям. Примером являются дикие формы растений, у которых масса корневой системы значительно преобладает над надземной вегетативной массой. Интенсивность поглощения элементов питания корневой системой в значительной мере зависит от ее удельной поверхности. Основное количество элементов питания поступает в растения в зоне корневых волосков (зоне поглощения) растущих кончиков корня, благодаря высокой активности и большой поверхности.
Поскольку поглощение элементов питания растениями связано с затратами энергии, то поглотительная деятельность корней может осуществляться только в аэробных условиях, при хорошем обеспечении корней продуктами фотосинтеза и кислородом. Аэрация почвы играет важную роль не только в поглотительной деятельности корней, она оказывает также большое влияние на биологические и химические процессы внутрипочвенной трансформации элементов питания.
К числу наиболее актуальных задач агрохимии относится разработка методов контроля и управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур. Использование для разработки системы удобрения только агрохимических показателей (свойств) почвы явно недостаточно. В современных условиях требуется комплексная характеристика функционального состояния почв и их пригодности для определенных сельскохозяйственных культур. Такая оценка почвы имеют важное значение для агронома, основной производственной задачей которого является получение возможно большего количества продукции растениеводства и прибыли с единицы площади.
В европейской части Нечерноземной зоны преобладают дерново-подзолистые суглинистые почвы (68%), супесчаные и песчаные занимают 17%, глинистые — 15%. Наиболее благоприятными агрофизическими свойствами для сельскохозяйственных культур обладают легко- и среднесуглинистые почвы. Глинистые, супесчаные и песчаные дерново-подзолистые почвы, как правило, менее плодородны по сравнению с суглинистыми.
Гранулометрический состав дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны, тыс. га.
| Экономический район | Глинистые, тяжело-суглинистые | Суглинистые | Супесчаные | Песчаные |
| Северо-Западный | 85 | 1603 | 953 | 161 |
| Центральный | 2525 | 91197 | 2030 | 278 |
| Волго-Вятский | 2883 | 3288 | 742 | 147 |
| Уральский | 2481 | 1800 | 187 | 43 |
| Московская область | 171 | 763 | 101 | 90 |
В свое время Д. И. Прянишников (1965) писал, что почвы в Нечерноземной зоне, не знающие сильных засух, при известковании и внесении необходимого количества минеральных и органических удобрений могут давать высокие устойчивые урожаи, а гарантированный сбор зерна позволит застраховать страну от последствий засух, часто наблюдаемых в южных районах.
Характеристика пахотных горизонтов основных типов почв Нечерноземной зоны
| Почвы | Гумус, % | Общий азот, % | Сумма поглощенных оснований | Гидролитическая кислотность | Степень насыщенности основаниями, % |
| мг-экв на 100 г почвы | |||||
| Дерново-подзолистые суглинистые | 1,5-2,5 | 0,1-0,15 | 5-10 | 4-7 | 45-60 |
| Дерново-подзолистые песчаные и супесчаные | 1-1,5 | 0,06-0,1 | 2-3 | 1-3 | 35-50 |
| Серые лесные | 2-5 | 0,1-0,25 | 12-15 | 4-6 | 70-80 |
| Черноземы оподзоленные | 5-6 | 0,2-0,35 | 20-25 | 5-12 | 70-80 |
| Черноземы типичные | 6-9 | 0,3-0,45 | 30-40 | 2-5 | 90-95 |
При систематическом внесении 1,2-1,5 ц/га действующих веществ с минеральными удобрениями и 5-6 т/га органических на фоне известкования и хорошей агротехники, в Нечерноземной зоне можно получать устойчивые урожаи зерновых культур 22-25 ц/га, сена многолетних трав — 40-50, зеленой массы кукурузы — 350-400 и картофеля — 220-250 ц/га. Естественное плодородие дерново-подзолистых суглинистых почв позволяет получать зерна лишь 10-14 ц/га, а песчаных и супесчаных — 7-8 ц/га. Поэтому поддержание и повышение плодородия почв, является одной из важнейших государственных социально-экономических задач. В РФ государство возлагает на землепользователей полную ответственность за агрономическое и экологическое состояние почв.
Плодородие почвы — совокупность свойств почвы, обеспечивающих необходимые условия для жизни растений — создание для них благоприятного водного, воздушного, теплового режимов и, прежде всего, ее способность удовлетворять потребность растений в элементах питания в течение всего периода вегетации. В агрономическом аспекте плодородие почвы определяется ее способностью к производству растениеводческой продукции, производить урожаи («родить плоды») в условиях присущего ей климата и измеряется продуктивностью (урожайностью) сельскохозяйственных культур. Наиболее важным показателем плодородия почвы является уровень содержание в ней необходимых растениям элементов питания, которые могут быть использованы ими на формирование урожая. Различают потенциальное (скрытое, запасное) и эффективное (реальное) плодородие почвы. Между потенциальным и реальным плодородием почвы часто не наблюдается прямой зависимости. Известны случаи, когда почва, хорошо обеспеченная основными элементами питания является недостаточно плодородной, например, мощный чернозем при плохой, несвоевременной обработке или длительной засухе. И, напротив, почва сравнительно менее богатая запасами элементов питания может быть более плодородной.
Потенциальное плодородие почвы определяется валовым (общим) содержанием (запасом) в почве элементов питания (макро — и микроэлементов), зависящим от минералогического состава почвообразующих пород, гумуса, а также климатических условий — водного и теплового режимов. Общее содержание элементов питания в почве во много раз превышает годовую потребность культур, но не может служить надежным показателем обеспеченности ими растений, так как лишь незначительная часть общего количества элементов питания переходит в растворимые формы и может быть использована растениями.
Эффективное плодородие почвы обусловливается содержанием в ней подвижных, доступных растениям форм элементов питания и рядом других факторов, оказывающих непосредственное влияние на состояние, рост и развитие растений. Эффективное плодородие почвы реализуется на базе потенциального плодородия и в определенной мере поддается регулированию с помощью агротехнических приемов. Уровень эффективного плодородия оценивается по урожайности сельскохозяйственных культур и качеству продукции.
Максимальная урожайность сельскохозяйственных культур достигается лишь при полном гармоничном соответствии внешних факторов и уровня содержания элементов питания в почве с внутренней физиологической потребностью в них растений.
Потенциальное и эффективное плодородие почв может быть естественным (природным) и искусственным (антропогенным), обусловленным совокупным воздействием на почвообразующую породу или грунт агротехнических приемов — внесения органических и минеральных удобрений, проведение химической мелиорации и т. д.
Уровень эффективного плодородия почвы обусловливается многими ее свойствами, которые определяются совокупным действием природных и агротехнических факторов. Совокупность показателей свойств почвы, характеризующих эффективное плодородие почвы можно условно разделить на:
- Агрохимические — содержание гумуса, реакция почвенной среды, емкость поглощения, состав поглощенных оснований, содержание доступных растениям подвижных форм макро- и микроэлементов в почве.
- Биологические свойства почвы характеризуются видовым составом, численностью и активностью почвенной фауны и микроорганизмов, фитосанитарным состоянием почвы.
- Агрофизические — плотность почвы, скважность, гранулометрический и агрегатный состав, влагоёмкость, мощность пахотного слоя и др.
- Внешние факторы — продолжительность вегетационного периода, интенсивность солнечной радиации, водный, температурный и воздушный режимы и другие природные условия.
Факторы плодородия взаимозависимы и взаимообусловлены. В агрономическом аспекте плодородие почвы следует рассматривать, как способность почвы обеспечивать определенный режим усвоения растениями солнечной энергии и элементов питания.
Потенциальное плодородие почв оказывает опосредованное влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур, через улучшение технологических условий их возделывания и стабилизацию внешних факторов (гомеостаз почв и растений). Основным критерием эффективного плодородия почвы является урожайность и качество продукции, контролируемые содержанием в ней подвижных форм элементов питания.
В то же время уровень плодородия почвы обусловливается не только естественными свойствами и состоянием. Оно в значительной мере зависит от уровня развития производительных сил и, прежде всего, от степени участия человека в управлении продукционным процессом. Следовательно, плодородие почвы не является стабильным ее свойством, а постоянно изменяется в зависимости от характера и интенсивности антропогенного воздействия. Чем шире и глубже наши научные познания о почве, чем выше уровень химизации и совершеннее техника земледелия, тем выше будет почвенное плодородие.
В то же время некоторые параметры почвы оптимальные для одних культур не являются лучшими для других. Отдельные параметры почвы, например, содержание гумуса или емкость катионного обмена (ЕКО) почвы, в целом, не имеют какого-либо верхнего предела. В агрохимическом, экологическом аспектах для значительного большинства факторов (например, содержание макро — и микроэлементов), обусловливающих плодородие почвы, важно контролировать и поддерживать такой их минимальный уровень, который еще не ограничивают продуктивность культур севооборота и не снижают качество урожая.
Оптимальное плодородие почвы характеризуется минимальным уровнем агрохимических и биологических свойств почвы, обеспечивающих заданную урожайность и качество продукции. Когда мы говорим о естественном плодородии почв, то, несомненно, желаем, чтобы они отличалась высоким содержанием гумуса, азота, фосфора, калия и других элементов питания. Однако, если планируется повышение почвенного плодородия за счет применения удобрений и агротехнических мероприятий по окультуриванию почв, то вопросы максимального повышения агрохимических и других свойств почвы ставить некорректно, поскольку это связано с большими, длительно не окупаемыми затратами.
Уровень создаваемого или поддерживаемого плодородия почвы должен соответствовать уровню продуктивности сельскохозяйственных культур. При низкой урожайности нет необходимости в агрономическом, экономическом и экологическом аспектах поддерживать высокое плодородие почв. Без установления требуемой продуктивности растений и их биологических особенностей рассматривать вопросы почвенного плодородия некорректно, поскольку для каждого уровня урожайности и вида растений следует поддерживать соответствующее плодородие почвы. Так, высокая продуктивность картофеля, моркови и льна наблюдается лишь на хорошоокультуренных легкосуглинистых почвах, а овес и подсолнечник дает высокие урожаи и на среднеокультуренных почвах.
В агрохимическом аспекте повышение плодородия почвы обусловливается не столько односторонним увеличением доз минеральных удобрений, сколько их гармоничным сочетанием с органическими и микроудобрениями, а также рациональными агротехническими приемами мобилизации элементов питания почвы без ее истощения.
Наиболее устойчивыми агрохимическими показателями плодородия почвы является содержание гумуса, общего азота, фосфора и калия. Поддержание определенного уровня гумусированности почвы возможно лишь при возделывании в севообороте многолетних трав, а создание требуемого уровня содержания фосфора, калия и других элементов питания в почвах достигается систематическим внесением соответствующих удобрений.
Поскольку процессы внутрипочвенной трансформации фосфора растворимых удобрений в нерастворимые фосфаты протекают довольно быстро, то для снижения затрат на их внесение целесообразно запасное внесение.
К наиболее мобильным элементам питания относятся азот, кальций и магний. Уровень их содержания в почве определяется почвенно-климатическими и агротехническими условиями возделывания сельскохозяйственных культур. Для снижения потерь нитратов, кальция и магния в результате вымывания осадками важное значение имеет разработка адаптивной к условиям агроландшафта системы удобрения, обеспечивающей в течение вегетационного периода на полях хорошо развитый травостой. Важно отметить, что в летний период под хорошо развитыми растениями вымывания элементов питания, в том числе нитратов, практически не наблюдается. Инфильтрация азота, кальция и магния за пределы корнеобитаемого слоя почвы происходит в осенний и в весенний периоды, когда почва переувлажнена и лишена растительного покрова.
Неизбежным результатом земледелия без применения удобрений является снижение естественного плодородия и постепенная деградация почв, вследствие постоянного отчуждения элементов питания с растениеводческой продукцией. Вынос питательных веществ растениями далеко не всегда пропорционален содержанию их в почве, поэтому, прежде всего, важно знать какие элементы ограничивают урожайность в настоящее время или могут лимитировать её в ближайшее годы. Чтобы корректировать свойства почвы в нужном направлении, необходимы знания процессов, обусловленных природными факторами и производственной деятельностью человека.
Все агротехнические мероприятия, связанные с применением минеральных, органических удобрений и мелиорантов, направлены на сохранение и повышение плодородия почв — улучшение состояния комплекса основных факторов, обусловливающих продуктивность сельскохозяйственных культур. Плодородие почвы нельзя охарактеризовать, учитывая лишь ее химический состав или агрофизические свойства. Оно является интегральным показателем соответствия климатических, агрохимических, агрофизических и биологических факторов оптимальным условиям роста и развития растений, а также наглядной характеристикой уровня знаний и умений технолога регулировать протекающие в ней процессы.
Воздействие на почву в результате её хозяйственного использования (обработка почвы, водная мелиорация, применение удобрений и других средств химизации земледелия), наряду с положительным действием, в отдельных случаях может оказывать отрицательное влияние на почвенное плодородие, проявляющееся в усилении водной и ветровой эрозии, потере гумуса, уплотнении почв или загрязнении нехарактерными для почвы веществами. Поэтому реальное и потенциальное плодородие почвы зависит не только от ее генезиса, но и от хозяйственной деятельности человека.
Для обеспечения стабильного роста урожайности сельскохозяйственных культур важнейшей задачей землепользователей должно быть поддержание уровня эффективного плодородия почв. Некоторое время вполне удовлетворительная обеспеченность растений элементами питания может быть достигнута за счет увеличения минерализации почвы при частом ее рыхлении. Если требуемая продуктивность посевов достигается путем интенсификации агротехнических приемов, приводящих к мобилизации элементов питания естественного плодородия почвы, то необходим постоянный контроль за ее состоянием, чтобы не допустить чрезмерного истощения.
В целом, формирование урожая протекает под совокупным влиянием широкого спектра внешних факторов: климатических (водного, температурного и воздушного режимов), свойств почвы (агрохимических, биологических и физических), а также агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственных культур, каждый из которых оказывает определенное непосредственное или косвенное действие на продуктивность посевов.
В этой связи при разработке технологий получения высоких урожаев с заданным качеством продукции необходимо учитывать, и по возможности регулировать участие в формировании урожая каждого фактора роста и развития растений, и в первую очередь тех, которые больше всего лимитируют продуктивность — это влагообеспеченность, рН, содержание элементов питания в почве и др.
Агрофизические свойства почвы (плотность, скважность, влагоёмкость, воздухопроницаемости и др.), обусловленные в значительной мере ее гранулометрическим составом и содержанием гумуса, оказывает большое влияние на продуктивность посевов и эффективность удобрений. Ухудшение физических свойств почв при уплотнении почвы под воздействием ходовых систем сельскохозяйственных машин приводит к существенному снижению урожайности и, прежде всего, овощных культур, корне-, клубнеплодов. Значительное снижение урожайности картофеля, сахарной свеклы, моркови и других корнеплодов обусловлено большой затратой растениями энергии на механическую работу по деформации уплотненных почв во время роста и увеличения объема сильно погруженные в почву корнеплодов (сахарная свекла, морковь) и клубней.