Правильное применение минеральных удобрении является важным источником плодородия почвы, фактором значительного повышения продуктивности растении и качества урожая, поддержания активного биологического и хозяйственного баланса питательных веществ.
В этом случае они не ухудшают окружающую среду. Поэтому необходимо постоянно совершенствовать технологию применения минеральных удобрений.
В существенном улучшении нуждаются транспортировка, хранение, тукосмешение и внесение минеральных удобрений в почву. Важнейшая задача состоит в повышении производительности и качества всех работ, направленных на предотвращение потерь минеральных удобрений и более эффективное их использование. Работникам агрохимической службы и сельскохозяйственных органов необходимо не только подсчитывать возможные потери при нарушении технологии применения удобрении, но и вскрывать и устранять источники этих потерь от завода до поля.
В предотвращении загрязнения окружающей среды важную роль играет высокая культура земледелия, совершенствование и разработка новых более эффективных технологий применения удобрений в севообороте и под каждую сельскохозяйственную культуру с учетом почвенно-климатических условий района, биологических особенностей культур и сортов, специализации севооборотов и других прогрессивных приемов интенсивного земледелия. В. Д. Панников (1974), указывая на важность учета всего комплекса факторов, влияющих на продуктивность растений, пишет: «Каждое хозяйство должно возделывать такие культуры и сорта, которые в конкретных условиях способны максимально использовать все космические и земные факторы жизни — солнечную энергию, воздух, воду, питательные вещества почвы и давать максимально высокие урожаи».
Важнейшей задачей является повышение коэффициента использования питательных веществ растениями, снижение их потерь в окружающую среду, повышение урожая и качества сельскохозяйственной продукции.
Как известно, наибольшую опасность с экологической точки зрения представляет азот. Между тем агрохимической наукой и практикой земледелия далеко еще не использованы пути улучшения баланса этого элемента. Так, D. Sauerbeck (1979), анализируя круговорот азота в аграрных и экологических системах считает, что наиболее важными задачами сельскохозяйственной науки являются: совершенствование прогноза потребности растений в азотных удобрениях, повышение коэффициента использования азота растениями, снижение потерь этого элемента, повышение ресурсов биологически связываемого азота и увеличение количества азотсодержащих органических остатков, возвращающихся в природный круговорот.
Важным приемом в этом отношении может быть сочетание применения минеральных и органических удобрений, в частности азотных удобрений, особенно их высоких доз, с соломой и другими растительными остатками. Исследования, выполненные в нашей стране и за рубежом, показывают, что в этих случаях потери азота заметно снижаются благодаря иммобилизации его в процессе гумификации и образованию легкогидролизуемых органических соединений.
Исследования, выполненные в Польше с использованием меченных 15N азотных удобрений NaNO3 и (NH4)2SO4 и соломы, показали, что солома снижает потери азота благодаря его закреплению в органической форме и торможению процесса нитрификации. При этом гумификация сопровождалась образованием главным образом фульвокислот, а в присутствии NH4—N наблюдалось и небольшое увеличение содержания гуминовых кислот. В растворимой фракции NH4—N преобладал в гуминовых кислотах, a NO3—N в фульвокислотах.
Наибольшая интенсивность превращения азота отмечалась в первые 7 дней инкубации, при наличии соломы и без нее преобладал процесс иммобилизации; NH4—N более интенсивно участвовал в превращениях, чем NO3—N (большее количество его было в органической форме, выше скорость иммобилизации, более интенсивная минерализация почвенного азота).
Важно изучать санитарную роль сельскохозяйственных растений, способность отдельных их органов накапливать биогенные и небиогенные элементы. В связи е проблемой охраны окружающей среды остро ставится вопрос о поступлении тяжелых металлов в цепь почва — растение — животное — человек, о метаболизме в этой цепи различных токсических соединений.
По предварительным данным, полученным в Англии, злаковые травы обладают большим преимуществом перед другими видами растений; они задерживают в своих корнях около 90% поступающих тяжелых металлов. При техногенном загрязнении почв следует использовать такие растения, которые хорошо растут и не накапливают в съедобной части токсические элементы или соединения, а также могли бы быть использованы при рекультивации загрязненных земель. Например, в Великобритании изучали растения, устойчивые к действию тяжелых металлов, содержащихся в отходах свинцово-цинковых и медных рудников. Многолетними наблюдениями показано, что высокая концентрация токсичных тяжелых металлов является основной причиной гибели растительного покрова на землях, загрязненных отходами этих предприятий. В то же время выявлено три вида трав, устойчивых к влиянию тяжелых металлов. Для земель, загрязненных кислыми отходами свинцово-цинковых рудников, таким растением является полевица гонкая, для земель, загрязненных отходами этих же рудников, но содержащих известь, овсяника красная, а при загрязнении отходами медных рудников половина обыкновенная. Эти растения быстро росли и обеспечивали хороший и устойчивый растительный покров. При достаточном обеспечении минеральными удобрениями эти травы сохранялись в течение 9 лет (с небольшим выпадом).
В отношении рекультивации земель интересные исследования выполнены в США. Гам изучали влияние осадка сточных вол на накопление тяжелых металлов в растениях ржи, овсяницы канареечника и суданской травы, используемых при рекультивации нарушенных горной промышленностью земель. В качестве субстрата для выращивания растений использовали поверхностный слой шахтных отвалов. Осадки сточных вод вносили из расчета 336 и 676 г/га, а известь из расчета 22.4 и 44,8 т/га. С меньшей дозой в почву поступало; меди 250 кг/га, хрома 1680, кадмия 70, свинца 770, никеля 17, цинка 1144 кг/га. Наибольшей способностью накапливать кадмий отличались суданская трава и канареечник, особенно при высоких дозах извести.
Несомненный интерес представляют исследования по взаимодействию макро — и микроэлементов в почве при участии их в химических и физико-химических реакциях. Важное значение имеет разработка моделей превращения в почве подвижных форм токсичных элементов в недоступные для растений формы. Так, Kunishi и Taylor (1972) изучали влияние различных фосфорных соединений на иммобилизацию радиоактивного стронция в почве. Были использованы фосфаты. В опытах применяли меченный стронций 85Sr, а также известь с целью изучения ее влияния на стабильность продуктов реакции.
Результаты опытов показали, что при внесении диаммонийфосфата в количестве 0,3 мэкв P/г почвы с низким уровнем обменного кальция (0,6 мэкв/100 г почвы), органического вещества и слабокислой pH (соотношение P : Са = 50) фиксация стронция составила 93%. На почвах с высоким уровнем обменного кальция (22 мэкв/100 г почвы) с содержанием 3,4% органического вещества и нейтральной pH фиксация радиоактивного стронция составила 95%. При внесении 0,6 мэкв Р/г почвы (соотношение Р : Са = 2,8) или 0,3 мэкв Р+0,1 мэкв F в виде NH4F при соотношении Р:Са = 1,4 иммобилизация стронция составила 86%. Авторы отмечают, что добавление с фосфатом небольших количеств фтора улучшает иммобилизацию стронция и снижает дозы фосфора. В полевых условиях для иммобилизации 95% стронция на почве с высоким уровнем обменного кальция такой фосфатно-фторидной смеси требуется 2200 кг/га.
Авторы пришли к заключению, что щелочные ортофосфатные соли при внесении их в достаточных количествах могут иммобилизовывать до 98% ионов стронция в верхних слоях почвы с ненарушенной структурой. Лучшей формой являются фосфаты аммония, так как аммонийный азот хорошо потребляется растениями, переходит также в нитраты в результате нитрификации, поэтому проблемы удаления его избытка из почвы не возникает. Недостаток фосфатов натрия состоит в том, что натрий ухудшает свойства почвы и требуется удаление его избытка путем выщелачивания по профилю почвы. Недостаток калийных солей — их меньшая доступность и усвояемость растениями, а также большой атомный вес иона K, что повышает объем требуемого продукта для достижения одинакового результата.
Весьма актуальны исследования по синтезу новых видов и форм минеральных удобрений с постепенным (заданным) переходом питательных веществ удобрений в почвенный раствор в процессе вегетации растений. Это позволит повысить коэффициент продуктивного их использования и снизить потери питательных элементов в окружающую среду.
Изучение влияния удобрений и других химических средств на окружающую среду, особенно на качество сельскохозяйственной продукции, требует усиления комплексных исследований специалистов смежных отраслей науки: агрономов и агрохимиков, мелиораторов и химиков, зоотехников и ветеринарных врачей, работников санитарно-эпидемиологической службы, гигиены питания и др. При этом важно разработать и ввести определенные требования к технологии использования удобрений. Так, в ГДР в 1977 г. введен новый стандарт «Защита вод при обращении с органическими и минеральными удобрениями». Этим стандартом предусмотрен комплекс мероприятий, предотвращающий загрязнение окружающей среды применяемыми удобрениями. Например, жидкие органические удобрения должны храниться в водонепроницаемых ямах. Длительность хранения твердых органических удобрений на необорудованных площадках не должна превышать 3 мес, в исключительных случаях не более 8 мес. Площадки должны быть расположены на расстоянии не менее 100 м от поверхностных водных источников.
Транспортные средства и машины по внесению удобрений необходимо очищать на моечных и профилактических пунктах. Нормы и условия внесения азотных удобрений надо устанавливать в зависимости от разновидности почвы и характера залегания грунтовых вод. Так, в водозащитной зоне, на территориях предполагаемого использования грунтовых вод, в районах карста и обвалов нормы азотных удобрений не должны превышать 300 кг/га.
В каждой стране должна быть хорошо организованная служба с целью изучения, контроля и разработки мер по предотвращению загрязнения окружающей среды всеми отраслями хозяйства. Большую роль в изучении действия химизации земледелия на окружающую среду в нашей стране должна сыграть государственная агрохимическая служба.
Е1о многих странах принимаются меры к решению вопросов предохранения биосферы от загрязнения. Например, в ФРГ разработана программа, предусматривающая сохранение и улучшение природной среды. Создается централизованная система информации по окружающей среде, в которой в качестве подсистемы выделено сельское хозяйство. Основная задача этой подсистемы — ускорение обобщения и систематизации данных о взаимодействии сельского хозяйства с окружающей средой и о влиянии сельскохозяйственного производства на почву, поверхностные и грунтовые воды, атмосферный воздух, растительный и животный мир, ландшафт, влиянии загрязнения окружающей среды на качество продуктов сельского хозяйства и др. Централизованная система информации призвана повысить оперативность выработки административных, хозяйственных и других мер, направленных на улучшение природной среды.
Большой интерес представляет дальнейшее изучение теоретических основ минерального питания растений. В настоящее время установлена общность процессов обмена веществ в животных, растениях и микроорганизмах. Синтез и превращения белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров, витаминов и других соединений идут одними и теми же путями во всех живых организмах и подчиняются одним и тем же закономерностям. Здесь, как нигде, возникает необходимость проведения комплексных исследований агрохимиков, физиологов и биохимиков растений, генетиков, селекционеров и других специалистов.
Прежде всего, ставится проблема создания новых высокопродуктивных сортов растений, способных интенсивно усваивать повышенное количество питательных элементов и использовать их для синтеза большего количества сельскохозяйственной продукции. Это возможно на первых этапах селекции с учетом генетической специфики питания растений на глубокой физиологической и биохимической основе.
Для агрохимиков, физиологов и биохимиков весьма важно знание особенностей обмена веществ в культурных растениях, а также внешних факторов, которые оказывают влияние на отдельные звенья этого обмена и в конечном счете влияют на изменчивость химического состава растений. Знание этих процессов и условий дает возможность управлять развитием растений и получать высокие урожаи хорошего качества. В связи с этим в перспективе все большая роль будет отводиться молекулярной биологии, генетической инженерии и другим фундаментальным разделам биологической науки по переделке природы растений, их физиологической и биохимической основы. Методы этих наук могут быть использованы при дальнейшем развитии теории биологической фиксации азота.
В научной литературе появляются предположения о возможности пересадки генов фиксации азота из бобовых на злаковые растения. Сегодня это звучит почти фантастично, так как осуществление этих идей связано с рядом весьма сложных проблем. Поэтому А. Баев (1979) отмечает, что сегодня едва ли целесообразно пытаться вводить гены фиксации азота, заимствованные у азотфиксирующих клубеньковых бактерий, в какой-либо орган растения. Ведь этот процесс требует значительных энергетических затрат и едва ли приведет к благоприятному исходу. Другое дело — создание бактерий-симбионтов, приспособленных к тем полевым или луговым культурам, которые в отличие от бобовых не имеют собственных «поставщиков» азота. Как бы то ни было, но эта проблема весьма заманчива, поскольку она представляет огромный научный и еще больший практический интерес. Решение ее позволит благодаря азотфиксирующей способности бактерий или самого растения хотя бы частично уменьшить использование технического азота. С другой стороны, деятельность существующих клубеньковых бактерий обычно подавляется при внесении высоких доз азотных удобрений. Поэтому создание новых видов азотфиксирующих бактерий, вступающих в симбиоз с небобовыми растениями, в условиях интенсивной химизации земледелия должно быть направлено на придание им нечувствительности к угнетающему действию минеральных азотных удобрений.
В природе известно немало случаев, когда азотфиксирующие бактерии поселяются в клубеньках небобовых растений (ольха, мирт болотный, казуария, кориария и др.). Азотфиксирующей способностью обладают синезеленые водоросли при участии специальных ферментативных систем. Такие системы уже выделены из отдельных растений и бактерий. Эти факты свидетельствуют о возможности решения проблемы биологической фиксации атмосферного азота.
Проблема рационального сочетания технического и биологического азота в земледелии требует большего к себе внимания. Ее научные основы были заложены Д. Н. Прянишниковым. Часто возникает вопрос: нужно ли вносить под бобовые культуры минеральные азотные удобрения? Многочисленные опыты показывают, что на хорошо окультуренных почвах при наличии достаточного количества подвижных форм фосфора, калия и других микроэлементов, а также таких микроэлементов, как молибден, бор, кобальт, бобовые культуры и без азотных удобрений дают высокие урожаи. Тем более если семена подвергаются инокуляции клубеньковыми бактериями нитрагином. В настоящее время установлено, что при любых размерах биологической фиксации азота бобовыми в них около одной трети из суммарного азота поступает минерального азота из почвы.
Конечно, применением высоких доз минерального азота можно подавить симбиотическую фиксацию бобовыми молекулярного азота воздуха, и они перейдут на потребление технического азота, тем более что им не требуется в этом случае затрачивать большого количества энергии на усвоение молекулярного азота воздуха. Вопрос в том, следует ли это делать? Нам представляется, что ответ должен быть отрицательным. Прежде всего, это связано с тем, что во многих земледельческих районах нашей страны ощущается острый дефицит азотных удобрений, особенно на зерновых хлебах, которые не удобряются почти на половине площади посевов. В большей же части этих районов азот под зерновые весьма эффективен, тем более что баланс азота в земледелии крупных зерновых районов страны остается резко отрицательным.
Конечно, удобрение азотом зернобобовых культур в ряде случаев необходимо. Хорошие результаты получаются от применения минерального азота под сою, в ряде случаев под бобовые в условиях орошения. Довольно часто возникает необходимость во внесении небольших, так называемых стартовых доз азота, особенно на слабоокультуренных почвах и в условиях холодной весны (Дальний Восток), когда нитрификация подавлена и молодые растения сои испытывают азотное голодание.
Важная задача науки — изучать и разумно использовать биологический азот — этот дар природы, изыскивать пути усиления симбиотической фиксации азота бобовыми. Кроме того, необходимо использовать все пути окультуривания низкоплодородных кислых почв, что приведет к повышению фиксации азота клубеньковыми бактериями и получению высокого урожая бобовых растений без внесения минерального азота в почву. Важно повышение эффективности фиксации молекулярного азота высшими бобовыми растениями — этой поистине природной фабрики по производству азота. К сожалению, агротехническая роль бобовых культур в севообороте часто недооценивается. Ведь бобовые являются не только поставщиками азота, но и хорошим предшественником зерновых культур, надежным фактором окультуривания почвы.
Многие отечественные и зарубежные исследователи бобовые считают мощным резервом улучшения азотного баланса. Так, Е. П. Трепачев (1980) подчеркивает немалую роль бобовых в охране окружающей среды. Симбиотическая и несимбиотическая азотфиксация позволяет снижать нормы азотных удобрений, уменьшать опасность загрязнения почвы и растений избыточным количеством нитратов. Культура бобовых трав и их смесей со злаками — сильное средство борьбы с эрозией почвы, потерями азота от поверхностного и внутрипочвенного стока и инфильтрации в глубокие слои почвы. В условиях интенсивной химизации роль биологической фиксации азота еще не оценена должным образом.
Решениями XXVI съезда КПСС предусмотрено значительное расширение площадей под бобовыми культурами в одиннадцатой пятилетке как важного фактора улучшения кормовой базы животноводства и повышения плодородия почв, а также пополнения азотных ресурсов в интенсивном земледелии.
Одним из важных направлений науки по сохранению и улучшению окружающей среды могут явиться микробиологические исследования. Известно, например, что микроорганизмы способны вовлекать в свой обмен метан, водород, молекулярный азот, закись азота, угарный газ и образовывать соединения, которые в состоянии усваивать растения и животные. Микробиологическое направление исследований должно привлечь большее внимание в связи с загрязнением водных источников нитратами при интенсивном, применении азотных удобрений.
В ряде западноевропейских стран широко применяется методика определения оптимальных доз азотных удобрений для зерновых и пропашных культур по содержанию минерального азота в почве до их посева с последующей их корректировкой при использовании растительной диагностики. Однако этот метод имеет и недостатки. Основной из них состоит в том, что вследствие микробиологических процессов минерализации органического вещества почвы в период вегетации растений в природный цикл поступает дополнительный минеральный азот. Количество и темпы его поступления определить довольно трудно, так как на эти динамические процессы влияет много факторов. Повышенное накопление азота в почве, превышающее биологические потребности растений, приводит к выщелачиванию его в грунтовые воды и их загрязнению. Вот почему микробиологический контроль за процессом нитрификации в почве играет важную роль в оптимизации азотного питания растений в процессе их вегетации.
Микробиологические исследования представляют интерес не только в отношении азотного питания высших растений, но и при решении проблемы биологического самоочищения почвы. Известны почвенные бактерии, образующие симбиотические ассоциации с высшими растениями и значительно улучшающие рост растений в тех случаях, когда в почве недостаточно доступного фосфора. Благодаря их деятельности может существенно улучшаться фосфорное питание растений. Эти бактерии встречаются на разных почвах и могут ассоциироваться со многими культурами.
Представляют интерес исследования, выполненные в Англии. В Ротамстеде на почвах с разным уровнем содержания доступного растениям фосфора изучали механизм поглощения его растениями при инокуляции их микоризными бактериями. Установлено, что инокуляция лучше всего влияла на рост растений на почвах с низким содержанием доступного фосфора. Урожай таких культур, как клевер белый, клевер луговой, огурцы, люцерна, салат, морковь, бобы и картофель, резко возрастал по сравнению с контролем. Отзывчивость на инокуляцию бактериями фасоли обыкновенной, кукурузы и ячменя на почвах, бедных доступным фосфором, была слабой. В то же время инокуляция не влияла на рост пшеницы. По мере увеличения в почве количества доступного растениям фосфора отзывчивость культур на инокуляцию снижалась, а на некоторых почвах, богатых фосфором, наблюдалось торможение роста растений.
Английские ученые считают, что инокуляция препаратом бактерий может иметь практическое значение на возвышенных территориях, в почвах которых содержится недостаточное количество доступного растениям фосфора. Опыты показали, что пастбище на возвышенности можно улучшить высевом бобовых, например клевера белого, инокулированного микоризными и клубеньковыми бактериями (ризобиум). Первые улучшают фосфорное питание растений, вторые благодаря азотфиксирующей способности улучшают азотное питание бобовых растений. Так, в полевом опыте на возвышенности в Уэльсе при известковании и подкормке фосфором клевер, инокулированный микоризными бактериями, дал втрое больший урожай сухого вещества, в 2 раза увеличилось образование побегов и в 5 раз образование клубеньков ризобиума. Аналогичные данные получены на почвах, бедных доступным фосфором, в тропической Африке, в Бразилии, Австралии и Испании.
Стерилизация почвы подавляет активность микоризы, поэтому возникает необходимость в повторной инокуляции. Например, в цитрусовом питомнике Калифорнии (США) проводили фумигацию с последующим обильным удобрением. В этом случае рост был хороший только после инокуляции микоризой. Пестициды и большие дозы азотных удобрений ингибируют ассоциации растений с микоризой, поэтому при инокуляции бактериями важно учитывать весь комплекс агротехнических мероприятий.
Что касается фосфорного питания растений, то несомненный интерес представляет и внеклеточная, фосфатазная активность корней растений. В этом отношении требуются глубокие и обстоятельные исследования. Создание почвенных условий для оптимальной деятельности фосфатаз является в определенных условиях важным фактором создания необходимого режима фосфорного питания растений. Деятельность же этих энзимов можно активизировать и ингибировать; это может существенно сказываться на питании растений фосфором. Так, R. Е. Malcolw и D. Vanghan (1979) установили, что все изученные фракции органического вещества ингибировали активность фосфатазы, полученной из корней пшеницы. Однако гуминовые кислоты ингибировали активность энзимов в большей степени, чем фульвокислоты. Причем компоненты гуминовых кислот с более низким молекулярным весом подавляли активность фосфатазы в большей степени, чем фракции с большим молекулярным весом. Фульвокислоты с низким молекулярным весом слабее ингибировали активность энзим, чем соответствующие компоненты гуминовых кислот с аналогичным молекулярным весом. Роль биологической (в том числе и ферментативной) активности почвы как фактора ее плодородия требует дальнейшего изучения. Это одно из важных перспективных направлений изучения оптимального режима питания высших растений.
Сохранение здоровой биосферы тесно связано с заботой об устойчивости биоценозов и особенно агроценозов, условия жизни в которых определяются сложившимися взаимоотношениями организмов. Хозяйственная деятельность человека должна направлять их в желательную сторону. Мощным средством воздействия на агроценозы является химизация земледелия. Удобрения и химические мелиоранты оказывают огромное влияние на ценотические взаимоотношения растений на лугопастбищных угодьях и в условиях полевого севооборота. Химические средства оказывают большое влияние на жизнь почвы, соотношение различных организмов и их активность. Особенно сильное влияние на агроценозы оказывают пестициды, при внесении которых уничтожаются представители полезной фауны и микрофлоры. Поэтому при использовании средств химии в сельском хозяйстве необходимо осуществлять научно обоснованный прогноз о возможных последствиях, о нарушении нормального агроценоза.
Все химические средства, в том числе и удобрения, в сельском хозяйстве должны применяться с учетом научно обоснованной технологии при постоянном агрономическом контроле и, конечно же, в комплексе с другими приемами агротехники зональных систем земледелия.
Не случайно N. Knauer отмечает, что с точки зрения экологии следует прекратить дальнейшее разрушение элементов ландшафта, сократить применение гербицидов и инсектицидов в результате последовательного применения метода интегрированной защиты растений, вводить виды культурных растений, поставляющих энергию, применять такую технику производства, которая позволяла бы использовать аграрно-экономическую систему без ущерба для экологии, так как введение современных машин и орудий ведет не только к успехам в производстве продукции, но и несет в себе значительный экологический риск.
Важным аспектом улучшения окружающей среды является определение и создание оптимальных параметров агрохимических показателей плодородия различных типов почв. В ряде случаев такие параметры плодородия почв уже установлены и находят практическое применение при разработке и внедрении эффективных систем применения удобрений. Например, для почв дерново-подзолистого типа важным показателем является оптимальный уровень ее кислотности, который определяется с учетом специализации севооборота, биологических особенностей культур, механического состава, суммы и состава поглощенных катионов и т. д.
Одной из основных причин различной чувствительности растений к кислой реакции почвы является наличие в ней алюминия и неодинаковая его подвижность.
Культуры реагируют не только на содержание в почве активных его форм, но и на соотношение обменного кальция к алюминию или суммы кальция и магния к алюминию. Чем выше это соотношение, тем слабее отрицательное действие алюминия.
Проблема оптимизации реакции почвенного раствора обострена еще и тем, что в связи с интенсификацией химизации земледелия расширяется применение физиологически кислых минеральных удобрений, приводящих к резкому обеднению пахотного горизонта кальцием. Поэтому поддержание оптимальной реакции среды кислых почв неразрывно связано с научно обоснованной технологией их известкования.
Известно также, что важнейшим веществом почвы, наличие и формы которого в наибольшей степени определяют плодородие, является гумус. Его запас в различных почвах сильно колеблется. В гумусе содержится почти весь азот, значительная часть фосфора и серы, а также небольшое количество калия, кальция, магния и других питательных веществ. Поэтому способы создания бездефицитного баланса гумуса в почвах и расширенного его воспроизводства составляют главную задачу агрохимии.
Для установления оптимальных параметров содержания гумуса в почвах разного типа использованы материалы опытов с применением удобрений в севооборотах, проведенные в европейской части СССР. Длительность их проведения (10—20 лет) позволила получить сведения, которые можно отнести к усредненным для каждой зоны погодным условиям.
На дерново-подзолистых почвах продуктивность севооборотной площади 35—45 ц зерновых единиц с 1 га достижима при содержании гумуса 1,5—2%, P2O5 (по Кирсанову) 10—15 мг, К2О (по Масловой) 15—20 мг/100 г почвы, pH 5—5,5. Нормы удобрений, обеспечивающие этот уровень почвенного плодородия и урожай, не выходят за пределы средних.
В Лесостепи УССР продуктивность севооборотной площади выщелоченного чернозема 45 ц зерновых единиц с 1 га возможна при содержании гумуса 3%, Р2О5 (по Труогу) 12—18 мг, К2O (по Масловой) 10—15 мг/100 г почвы, pH больше 6. Нормы навоза составляют около 10 т, минеральных удобрений 50 кг действующего вещества на 1 га в среднем за год.
На обыкновенных черноземах европейской части страны по 35 ц зерновых единиц с 1 га севооборотной площади было получено при содержании гумуса 4—4,2%, Р2О5 (по Чирикову) 10—15 мг, К2O (по Масловой) 20 мг/100 г почвы, pH 7. В этих опытах в среднем за год на 1 га севооборотной площади вносили по 5 т навоза и по 15—20 кг азота, фосфора и калия.
И все же установление оптимальных параметров содержания органического вещества в почвах затруднено, так как при незначительном варьировании количества гумуса в почве урожаи сельскохозяйственных культур часто сильно колеблются.
Таким образом, вопрос об оптимальном содержании гумуса в почвах не должен решаться однозначно. Он может быть рассмотрен только в комплексе с другими факторами почвенного плодородия.
Не менее противоречивые сведения имеются по вопросам связи урожайности с количеством азота в почве, ибо его содержание варьирует в широких интервалах в пределах одной почвенной разности и даже одного поля. Для всех земледельческих зон страны не может быть одинаковой зависимости между эффективностью азотных удобрений и содержанием в почве подвижных форм азота. В то же время для отдельных регионов страны найдена корреляционная связь между содержанием нитратного азота в почвах и прибавкой урожая зерновых культур от азотных удобрений.
Для условий Западной Сибири установлено, что количество нитратного азота в слоях 0—20 и 0—40 см, обнаруженное осенью или весной, служит падежным показателем обеспеченности растений доступным азотом. На основе этого разработаны, а в последнее время уточнены шкалы обеспеченности почв нитратным азотом и потребности полевых культур в азотных удобрениях.
Для светло-каштановых почв Заволжья найдена корреляционная зависимость между содержанием нитратного азота в слое почвы 0—60 см в период всходов и урожаем озимой пшеницы. Запасы нитратов 65—70 кг/га (9 мг/кг почвы) обеспечивают получение урожая зерна 50 ц/га. Для такого урожая запасы нитратного азота весной в период кущения должны быть на 15—20 кг/га больше, чем в период всходов.
Метод почвенной диагностики по минеральному азоту получил распространение в ГДР, ФРГ, США, Канаде и других странах. В ГДР полные нормы азота определяются по данным многолетних опытов; эти нормы приемлемы для усредненных условий. Весной перед началом вегетации (как правило, вторая половина февраля) в слое почвы 0—60 см определяют содержание минерального азота (сумма аммиачного и нитратного) и с учетом его делают поправки к рекомендованным нормам. Для условий ГДР этот метод является наиболее обоснованным и универсальным. Он практически приемлем для всех почвенных зон республики под зерновые. В ФРГ для ферм с высоким уровнем применения удобрений и урожайностью озимой пшеницы 60—100 ц/га разработан метод оптимизации норм азотных удобрений для этой культуры, в основу которого положен учет запасов минерального азота в слое почвы 0—90 см. Дозу удобрения для подкормки определяют по разнице между нормативным количеством минерального азота, необходимым для получения планируемого урожая, и фактическим запасом его в слое 0—90 см. Этот метод приемлем для плодородных лессовидных почв и требует большой глубины отбора почвенных проб.
В нашей стране при существующем уровне химизации на основе результатов полевых опытов для отдельных районов определены оптимальные нормы азотных удобрений. Например, в Московской области появилась возможность применять повышенные нормы азотных удобрений. В связи с этим становится необходимой корректировка норм с учетом содержания минерального азота в почве перед внесением удобрений. Результаты обследования в 1982 г. почв 98 хозяйств Московской области показали, что содержание минерального азота в слое 0—90 см колебалось в пределах 15—589 кг/га при среднем содержании азота 110 кг/га.
Придавая важное значение методам диагностики и оптимизации азотного питания и удобрения сельскохозяйственных культур, считаем необходимым отметить, что разработанные для конкретных условий и перечисленные выше методы оптимизации для уточнения доз азотной подкормки не могут быть применены во всех зонах нашей страны. Пригодность методов определения запасов азота в почве для оптимизации азотного питания растений может быть обоснована только статистически достоверной корреляцией результатов анализа почвы и данных полевых опытов (особенно многолетних) с азотными удобрениями в конкретных почвенно-климатических условиях. Для этого необходимо прежде всего широко использовать имеющиеся данные полевых опытов с азотными удобрениями, особенно стационарных. Для разработки метода оптимизации азотного питания необходимо опытным путем установить для каждого конкретного района основные варьируемые параметры: исходный уровень содержания азота, необходимый для формирования планируемого урожая с учетом содержания фосфора и калия в почве, pH, биологическую активность почвы, число, сроки и глубину отбора почвенных проб, глубину залегания грунтовых вод, характер формирования корневой системы культур и др.
Для определения запасов минерального азота почвы и оптимизации азотного питания необходимо широко использовать новые методы и последние достижения агрохимической науки. Так, применение в агрохимических исследованиях метода стабильного изотопа 15N наряду с определением фактического количества азота удобрений, используемого сельскохозяйственными культурами, позволило установить размеры минерализации и дополнительного использования растениями органического азота почвы. Количественная оценка этого процесса имеет большое практическое значение не только для установления наиболее объективного баланса азота при различных системах земледелия, но и для увеличения эффективности азотных удобрений и повышения плодородия земель. В частности, познание процессов мобилизации азота дает возможность прогнозировать нормы азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры с учетом наличия водорастворимых форм азота в почве.
Основными критериями оптимального фосфатного режима почв являются содержание подвижного фосфора, при котором достигается наибольший урожай возделываемой культуры, и отсутствие эффекта от дополнительно вносимых фосфорных удобрений. При этом следует ориентироваться на ведущие и наиболее требовательные к уровню фосфорного питания культуры севооборота в конкретных почвенно-климатических условиях.
Важность оптимизации фосфатного режима диктуется еще и тем, что, хотя во многих районах страны наблюдается постепенное повышение обеспеченности почв этим элементом, а в отдельных регионах даже имеются примеры зафосфаченности, значительные площади пахотных земель до сих пор характеризуются низкой обеспеченностью подвижным фосфором. Дефицит фосфора из-за ограниченности ресурсов будет иметь место и в перспективе.
На основе многочисленных экспериментальных данных установлены следующие оптимальные уровни фосфатного режима для отдельных типов почв и природно-климатических зон: для дерново-подзолистых и сырых лесных почв Нечерноземной зоны — 10—15 мг/100 г почвы (по Кирсанову), для обыкновенных, оподзоленных и мощных черноземов — 10—15 мг/100 г почвы (по Чирикову), для карбонатных черноземов, каштановых и сероземных почв — 3—3,5 мг/100 г почвы (по Мачигину).
Указанный уровень фосфатного режима позволяет получать в условиях обеспечения другими факторами роста максимально возможные урожаи возделываемых культур: на дерново-подзолистых и серых лесных почвах Нечерноземной зоны — озимой пшеницы 50—55 ц/га, картофеля 250—300, ячменя 40—45 ц/га; на обыкновенных, оподзоленных и мощных черноземах — озимой пшеницы 50—55 ц/га, кукурузы 70—75, сахарной свеклы 350—400 ц/га; на каштановых и сероземных почвах — хлопчатника 40—50, сахарной свеклы 500—600 ц/га.
Продуктивность севооборотов достигает 30—52 ц кормовых единиц с 1 га. На орошаемых землях в условиях повышенной продуктивности требуются более высокие уровни обеспеченности подвижным фосфором.
В результате обобщения (с помощью математического моделирования) экспериментальных данных многолетних стационарных опытов с удобрениями, проведенных в период 1970—1981 гг. на искусственно созданных фосфорных фонах в Московской, Калининской и Смоленской областях, установлено, что увеличение содержания подвижного фосфора в почве от низкого (2—4 мг/100 г почвы) до среднего (8—10 мг/100 г почвы) сопровождается наиболее высокими прибавками урожая. Дальнейшее его повышение приводит к снижению прибавок. Урожаи, достигнув максимальных величин в зоне оптимальных значений содержания подвижного фосфора в почве, стабилизируются.
На почвах с низким содержанием подвижного фосфора фосфорные удобрения весьма эффективны, и положительное их действие наблюдается вплоть до самой высокой в опытах нормы — 270 кг/га. С увеличением обеспеченности почвы подвижным фосфором эффективность фосфорных удобрений падает, уменьшаются нормы, необходимые для получения максимального урожая. И наконец, при оптимальном содержании подвижного фосфора в почве фосфорные удобрения становятся неэффективными и не окупаются прибавками урожая. Максимальный урожай получается тогда, когда эти взаимодействующие факторы находятся в оптимуме.
Для дерново-подзолистых суглинистых почв оптимум по содержанию подвижного фосфора, как уже отмечалось, находится в пределах 10—15 мг/100 г почвы, а оптимум норм фосфорных удобрений в зависимости от культуры — 40—80 кг/га. При любом другом количественном выражении указанных факторов максимальный урожай будет меньшим. Оптимальное содержание фосфора в почве с ростом урожайности сельскохозяйственных культур изменяется. Для высоких урожаев зерна порядка 50—80 ц/га необходим качественно новый уровень обеспеченности почв питательными веществами. Эти вопросы требуют дальнейшего изучения в специально заложенных опытах.
Оптимизацию калийного режима почв принято характеризовать показателем содержания обменного калия. Однако в исследованиях последнего времени все чаще становится под сомнение способность данного показателя надежно характеризовать калийный режим почв, так как во многих случаях не удается установить тесную связь этого показателя с эффективностью калийных удобрений. Объясняется это прежде всего значительными запасами калия в почвах и динамическим равновесием между различными его формами. Способность почв непрерывно в течение вегетации снабжать растения необходимым количеством усвояемого калия зависит не столько от его содержания, сколько от способности почв восполнять запасы калия в почвенном растворе по мере потребления его растениями, в том числе и за счет необменных форм, т. е. в процесс питания растений вовлекаются все формы почвенного калия.
Поэтому при характеристике плодородия почв в отношении калия нужно учитывать не только легкоподвижные формы, какими являются калий почвенного раствора и обменный калий, но и необменный калий первичных и глинистых минералов, являющийся резервом пополнения запасов обменного калия в почве.
Оптимальный калийный режим в пределах отдельной разновидности почвы значительно колеблется под влиянием ряда факторов: реакции почвенной среды, степени насыщенности ППК калием и другими ионами (Са, Mg).
На основании экспериментальных данных установлены следующие границы содержания обменного калия, обеспечивающие оптимальные условия калийного питания для отдельных разновидностей почв: для дерново-подзолистых супесчаных — 10—15 мг/100 г почвы, дерново-подзолистых суглинистых — 15—20 мг/100 г почвы (по Масловой), для обыкновенных мощных черноземов — 15—20 мг/100 г почвы (по Чирикову), для каштановых почв — 2,5—3,5 мг/100 г почвы (по Мачигину).
Оптимизация режимов основных элементов питания культурных растений должна обязательно осуществляться с учетом содержания подвижных форм микроэлементов в почве. В ВИУА разработана шкала обеспеченности почв различных зон страны микроэлементами. Однако при определенном уровне обеспеченности и составлении практических рекомендаций следует проявлять известную осторожность, так как содержание подвижных форм микроэлементов в течение вегетационного периода сильно изменяется. Таким образом, оптимальные параметры почвенного плодородия, на основе которых можно принять правильное решение по применению удобрений, могут быть объективно установлены при условии изучения их во взаимосвязи с другими факторами, одновременно участвующими в формировании урожая. В этом направлении должны развиваться и совершенствоваться исследования моделирования и оптимизации показателей плодородия почв.
Сложность проблемы сохранения биосферы от загрязнения (в том числе химическими и другими средствами, применяемыми в сельском хозяйстве) требует разработки комплексной программы исследований с участием в ее реализации ученых многих отраслей сельскохозяйственной и биологической науки. Она должна предусматривать широкий круг задач — от просвещения до внедрения в производство конкретных и эффективных технологий и организационных мероприятий.
Защита и улучшение биосферы Земли — важнейшая глобальная задача человечества всей Планеты, так как ее успешное решение будет определять не только его насущные материальные блага, но и всестороннюю полноценную жизнь людей во всем Мире.