Эколого-агрохимические аспекты воспроизводства плодородия почв и длительного применения удобрений

Ежегодное внесение 120 кг/га азота на фоне Р80К60 позволяет поддерживать уравновешенный круговорот этого элемента питания лишь в случае включения в севооборот 30% многолетних злаковых трав, обладающих способностью усваивать нитраты, вымывшиеся на глубину до 2 м. В таких условиях растения используют 62% внесенного азота, остаточное количество нитратов в почве не превышает 3%, а продуктивность севооборота составляет 45,1 ц/га з.е. Применение такого количества азота в зернопропашном севообороте и в севообороте с клевером на почвах с низким и очень низким содержанием подвижных фосфатов на фоне Р80К60 создает избыток его в агроэкосистеме, что проявляется в снижении коэффициента использования азота посевами до 19-35% и усилении миграции нитратов в почвенной толще до 24% от внесенного. При этом продуктивность культур севооборота остается на том же уровне, что и на фоне применения 80 кг/га азота (32,9 ц/га в 1-й ротации и 48 ц/га - во 2-й ротации севооборота). Систематическое внесение 180 кг/га азота в севообороте с многолетними злаковыми травами в сочетании с фосфорно-калийными удобрениями обеспечивало достаточно высокую степень использования его растениями (54%), однако не исключало проявления ощутимой миграции нитратов в почвенной толще, составившей 8% от количества, внесенного с удобрением. С учетом того, что продуктивность культур севооборота в случае повышения дозы азота от 120 до 180 кг/га практически не изменялась, такой уровень обеспеченности посевов этим элементом питания и его круговорот в агроценозе следует оценить как несбалансированные.

Подводя итог проведенным  исследованиям, можно заключить, что  наличие информации о состоянии природных факторов в сочетании с данными об уровне внесения азотного удобрения в севообороте и степени использования посевами азота в продукционном процессе позволяет прогнозировать масштабы и глубину миграции нитратов по почвенному профилю, а также формирование глубокопочвенного нитратного максимума. Такого рода информация является отправной для корректировки системы внесения азотных удобрений под последующие культуры и структуры севооборота, в котором при необходимости целесообразно увеличить долю посевов, наиболее полно использующих остаточное количество азота. Одним из эффективных способов во­влечения в биологический круговорот нитратов, вымывшихся в глубокие горизонты почвы, является периодическое выращивание в севообороте многолетних злаковых трав, обладающих глубокопроникающей корневой системой и способных усваивать эти азотные соединения из толщи почвы 0-200 см.

4 Активность азотфиксации и денитрификации при длительном внесении удобрений

Избыток минеральных азотистых соединений в почве в определенных условиях может стать фактором, оказывающим негативное воздействие и на другие почвенные процессы.

Таблица 1

Как показали исследования, это проявляется в нарушении уравновешенности слагаемых азотного цикла - несимбиотической азотфиксации и денитрификации, что создает опасность истощения азотного фонда почвы. Снижение активности азотфиксации и усиление денитрификации чаще всего наблюдаются в тех случаях, когда усвоение растениями внесенного азота сильно ограничивается дефицитом фосфора или влаги в почве. Накапливающийся при этом аммонийный азот сдерживает активность азотфиксации, а высокое содержание нитратов в почве усиливает процесс денитрификации.

Отметим, что в серых  лесных почвах аммонийный азот достаточно быстро, в течение двух недель, подвергается нитрификации, в итоге преобладающей формой минерального азота в них являются нитраты (табл. 1-2). Подвергаясь вымыванию и денитрификации, именно эти азотистые соединения в основном и определяют нежелательное развитие природных процессов азотного цикла в серых лесных почвах. Последнее в значительной степени сводится к минимальному при обеспечении оптимальной сбалансированности азотного и фосфорного питания растений и активном использовании ими содержащихся в почве нитратов. В данных условиях доля нитратного азота, подвергающегося воздействию денитрифицирующих микроорганизмов, существенно снижается и его газообразные потери компенсируются поступлением в почву азота за счет несимбиотической азотфиксации. Об этом свидетельствуют данные о стабилизации, а в ряде случаев и о повышении содержания общего азота в почве на фоне длительного внесения азотного удобрения в сочетании с достаточной обеспеченностью посевов фосфором [Никитишен, 1984].

Активность несимбиотической азотфиксации под посевами озимой пшеницы и кукурузы в условиях 1989 г., благоприятных для роста и развития эти культур, определялась содержанием обменного аммония в почве и отрицательно коррелировала с величиной этого показателя (см. табл. 1-2).

Она была достаточно высокой  на протяжении всей вегетации растений, достигая максимума в фазы цветения пшеницы и 12 листьев у кукурузы. При этом отрицательного влияния как азотных, так и фосфорных и калийных удобрений на азотфиксацию не наблюдалось, более того, в отдельных случаях (варианты N, Р, NP, NPK - под озимой пшеницей, варианты N, NP, NPK - под кукурузой) внесение азота и фосфора в различных сочетаниях оказывало заметное положительное влияние на активность азотфиксации. Определение потенциальной активности денитрификации в почве под изучаемыми культурами позволило выявить тесную зависимость процесса от содержания нитратов, обусловленного действием азотного удобрения.

Под посевами озимой пшеницы  процесс денитрификации проходил менее  активно, составляя в фазы кущения и цветения 2,1-9,8 мг 1Ч/(кг/сут.) в случае содержания азота нитратов в почве на вариантах NK, N, NP и NPK от 2,6 до 5,0 мг/100 г (см. табл. 1).

Характерно, что под посевами этой культуры в вариантах без  внесения азотных удобрений (варианты О, Р, К, РК) денитрификация была выражена слабо или вовсе не протекала.

Таблица 2

Менее четкая зависимость  активности денитрификации от содержания нитратов в почве наблюдалась под посевами кукурузы. Интенсивное течение этого процесса отмечено как при высоком содержании нитратного азота в почве (2,8-4,8 мг/100 г) в фазу 6-7 листьев, так и при крайне низкой его концентрации (0,27 мг/100 г) в фазу 12 листьев (см. табл. 2). Подчеркнем, что способностью к денитрификации обладала также почва под кукурузой на фоне без внесения удобрений, чего не наблюдалось под посевами озимой пшеницы. Последнее, очевидно, связано с особенностями агротехники возделывания этой пропашной культуры, которая предусматривает проведение междурядных обработок почвы в первый период вегетации, что способствует образованию нитратов.

Особое место в регулировании  азотного баланса в почве занимают посевы клевера. Наряду с тем, что эта культура обладает способностью связывать атмосферный азот за счет симбиотической азотфиксации (в наших опытах 90-130 кг/га в надземной биомассе), обнаружено ее стабилизирующее влияние на активность несимбиотической азотфиксации в почве в условиях длительного внесения удобрений. Тенденция к некоторому снижению активности этого процесса наблюдалась лишь в вариантах с применением азота, калия и парной комбинации указанных элементов питания. Во всех вариантах опыта в почве под клевером не выявлено денитрификации, что связано с низким содержанием нитратов в пахотном слое почвы, в том числе и на фоне последействия азотного удобрения (0,16-0,25 мг/100 г). Отмеченные особенности течения этих природных циклов азота под посевами клевера позволяют отнести его к числу культур, имеющих первостепенное значение для стабилизации азотного фонда почвы при интенсивном внесении удобрений в севообороте.

Таким образом, обеспечение  оптимальных условий минерального питания растений при длительном внесении удобрений на серой лесной почве не вызывает необратимых изменений активности таких процессов азотного цикла в почве, как несимбиотическая азотфиксация и денитрификация.

При рациональном удобрении  и достижении оптимальной сбалансированности азота с фосфором и другими элементами питания создаются благоприятные условия для более полного использования посевами нитратов, тем самым ограничиваются продолжительность накопления их в почве в высоких концентрациях и размеры денитрификации за вегетационный период. Как показали исследования, в этом случае потери азота вследствие денитрификации могут уравновешиваться поступлением его в почву за счет азотфиксации.

5. О причинах “скрытого”  отрицательного действия минеральных  удобрений

Как отмечалось выше, к нежелательным последствиям длительного применения минеральных удобрений на малобуферных почвах относятся ухудшение их физико-химических свойств, повышение кислотности, обеднение обменными основаниями. В наибольшей степени это обусловлено воздействием азотных удобрений вследствие проявления свойственной им физиологической кислотности. Наиболее эффективным способом нейтрализации избыточной кислотности интенсивно удобряемых почв считается известкование, получившее теоретическое обоснование и практическое применение при воспроизводстве плодородия дерново-подзолистых почв [Шильников, Лебедева, 1987; Курганова, 1999]. Ухудшение физико-химических свойств серых лесных почв под влиянием длительного применения минеральных удобрений, очевидно, следует рассматривать как одну из основных причин “скрытого” отрицательного их действия.

Авторы работ [Munk, 1958; Lyngstad, 1979] выявили, что при pH среды, равном 4,4 и 4,9, в условиях инкубационного опыта существенно снижалась скорость минерализации азота, а при pH < 4,1 нитрификация вообще прекращалась. Об аналогичной зависимости нитрифицирующей способности серой лесной почвы от ее кислотности можно сделать вывод на основе результатов наших исследований с почвенными образцами, взятыми с полевых опытов [Никитишен, 1984]. Высокому содержанию нитратов в почве (6-7 мг/100 г), при котором в условиях инкубационного опыта не происходило дополнительного продуцирования этих азотных соединений, в большинстве случаев сопутствовало повышение почвенной кислотности. Весьма чувствительны к низкому значению pH свободноживущие азотфиксирующие микро­организмы и клубеньковые бактерии бобовых культур [Колешко, 1981]. Так, клевер еще может удовлетворительно расти при pH = 4, если его снабжать минеральным азотом, однако его клубеньковые бактерии теряют способность к азотфиксации [Virtanen, 1953].Что касается культурных растений, то для всех бобовых, за исключением люпина, оптимальные условия произрастания складываются на слабокислых - слабощелочных почвах. Овес, картофель и рожь можно успешно выращивать при более широком интервале pH, а пшеница и ячмень требуют слабокислой - нейтральной реакции почвенного раствора. В кислых почвах образуются труднорастворимые фосфаты железа и алюминия, что ухудшает доступность фосфора растениям. В этих условиях снижается устойчивость почвенных коллоидов, способность их адсорбировать катионы кальция, магния и калия. Последние легко переходят в почвенный раствор и могут вымываться из корнеобитаемого слоя почвы. В условиях лизиметрического опыта на серой лесной почве установлено, что при повышении дозы азотного удобрения от 60 до 240 кг/га азота выщелачивание кальция увеличивалось в четыре раза [Шильников и др., 1977]. Отрицательное влияние повышенной кислотности почвы на корневое питание растений проявляется в уменьшении поглощения катионов, накоплении в корнях токсических концентраций алюминия и марганца [Петербургский, 1959].

Одной из причин “скрытого” отрицательного действия минеральных  удобрений на плодородие почвы может быть накопление в ней балластных веществ, таких как хлор, фтор и некоторые тяжелые металлы, высокие концентрации которых обладают токсичным действием [Минеев, 1990; Танделов, 1997; Курганова, 1999]. О негативном воздействии хлора на ряд культур севооборота мы уже упомянули. Избыточное поступление фтора в растения кукурузы, выращиваемые на фоне длительного внесения фосфорного удобрения в виде суперфосфата, также снижает урожай этой культуры [Кудзин, Пашова, 1978]. Наблюдения за накоплением тяжелых металлов и расчеты их баланса в условиях систематического применения органических и минеральных удобрений, а также извести на дерново-подзолистых почвах показали [Черных, 1995], что при современном уровне химизации земледелия значимого увеличения содержания этих веществ в корнеобитаемом слое следует ожидать не ранее, чем через 200 лет. Агрохимическое обследование пахотных почв Подмосковья на содержание тяжелых металлов в период интенсивной химизации земледелия не выявило их избыточного накопления [Курганова, 1999].

Систематическое применение высоких доз минеральных удобрений  на различных типах почв вызывает изменение структуры почвенного микробиоценоза [Минеев, Ремпе, 1995; Дурынина, Пахненко, 1998]. В нем существенно возрастает доля грибов и актиномицетов, способных синтезировать фитотоксические вещества. Наибольшей токсичностью обладают широко распространенные в дерново-подзолистых почвах грибы-сапрофиты родов Penicillium, Fusarium и Trichoderma. По данным Е.П. Пахненко [2.001], устойчивость посевов к фитопатогенным грибам в агроценозе определяется типом почвы, уровнем ее плодородия, дозой и формами минеральных удобрений, предшественником в севообороте, биологической активностью почвы и гидротермическими условиями вегетационного периода. Обеспечение оптимального уровня корневого питания повышает устойчивость растений к поражению патогенами.

6. Минеральное питание и устойчивость посевов к болезням

Одним из показателей устойчивого функционирования агроэкосистемы является степень поражаемости культурных растений различными грибными болезнями, в значительной мере она определяется складывающимся уровнем минерального питания

[Минеев, 1999]. В общем виде  зависимость развития возбудителей болезней от условий корневого питания посевов представлена на рис. 19. Повышение обеспеченности азотом, как правило, способствует снижению устойчивости растений к грибным болезням, а усиление уровня потребления ими фосфора и калия, напротив, делает их более устойчивыми к воздействию патогенной микрофлоры. Так, в исследованиях А.Г. Петросяна [1989], проведенных в полевых опытах на дерново-подзолистых почвах, посевы озимой пшеницы, имеющие высокой уровень корневого питания, сильнее поражались церкоспореллезной корневой гнилью, что вызывало их полегание. Применение фунгицида тилта позволило повысить устойчивость растений к этому заболеванию и обеспечило формирование продуктивности зерновой культуры в 60-70 ц/га зерна. По данным А.В. Пасынкова [1994], повышенные дозы азотного удобрения вызывали ослабление устойчивости озимой ржи к поражаемости мучнистой росой и бурой ржавчиной. В этих условиях выращивание высокоурожайных посевов предполагало обязательное применение средств защиты растений. Вместе с тем установлено [Цимбалист, 1993], что повышение уровня азотного питания растений не всегда приводит к усилению развития грибковых заболеваний у зерновых злаков, это наблюдается главным образом при избытке азота. По данным этого автора, азотные удобрения при достаточном увлажнении способствовали развитию фузариоза колоса, бурой ржавчины и церкоспореллезной корневой гнили у озимой пшеницы. Однако при размещении этой культуры в севообороте после викоовсяной смеси, обеспечивающей низкий уровень азотного питания, азотное удобрение оказывало уже положительное влияние на устойчивость посевов к корневой гнили фузариозного типа. Приводятся также данные [Макаров, 1989] об уменьшении поражаемости озимой пшеницы мучнистой росой, септориозом и корневыми гнилями под воздействием совместного внесения органических и минеральных удобрений на серых лесных почвах.