Потери минеральных удобрений могут быть обусловлены нарушением технологии их применения в севообороте и под отдельные культуры.
Многообразие почвенно-климатических условий в нашей стране требует дифференцированного подхода к разработке научных основ технологии применения удобрений с учетом особенностей климата, свойств и плодородия почвы, специализации растениеводства, использования высокопродуктивных сортов и т. д. Важно правильно определить дозы и соотношения питательных элементов, выбрать оптимальные формы удобрений, сроки и способы их внесения. Все это позволит повысить коэффициент использования питательных элементов удобрений сельскохозяйственными растениями на создание растениеводческой продукции, а следовательно, снизить их потери в окружающую среду.
В настоящее время накоплено много отечественных и зарубежных данных по размерам возможных потерь питательных веществ в окружающую среду и их снижению.
На потери питательных элементов из почвы большое влияние оказывают такие труднорегулируемые факторы, как количество осадков и гранулометрический состав почв.
Нечерноземная зона нашей страны довольно часто рассматривается как зона с потенциально возможным вымыванием значительных количеств питательных элементов. Это объясняется тем, что почвы зоны отличаются промывным водным режимом (годовая сумма осадков 600—650 мм, а испаряемость 450—500 мм), значительным внутрипочвенным стоком, особенно в весенний паводок и после уборки урожая осенью, большим удельным весом почв легкого гранулометрического состава с преобладающей кислой реакцией. Кроме того, в хозяйства зоны поступает много минеральных удобрений как важное условие повышения плодородия низкопродуктивных земель. В Белоруссии в годы с избыточным увлажнением вымывание азота на легких почвах достигает 60 кг/га, на супесчаных — 20—25, на суглинистых — 10 кг/га. В годы с нормальным увлажнением эти показатели снижаются примерно вдвое.
Вымывание питательных веществ увеличивается из почв более плодородных, из легких парующих (получающих повышенные нормы удобрений), а также при увеличении количества атмосферных осадков или норм оросительной воды и т. д. Например, в штате Иллинойс (США) из хорошо дренированной почвы вымывалось азота 80 кг/га, калия 1,3, кальция 62, серы 18 кг/га, а из плохо дренированной соответственно 7; 0,7; 12 и 2 кг/га.
Из основных питательных веществ больше всего теряется азота. Из обобщенных данных по балансу азота (с помощью 15N) видно, что этот элемент усваивается растениями в полевых условиях примерно на 40%, в отдельных случаях на 60—70%, иммобилизуется в почве на 17,7—32,6%. Большая его доля включается в состав трудногидролизуемых гумусных веществ. Потери азота в результате улетучивания различных газообразных соединений составляют в среднем 10—30% от внесенного.
Особенно существенно возрастают потери азота при увеличении количества осадков. Так, по данным голландских исследователей, каждый миллиметр осадков вызывает ежегодные потери азота 0,5 кг/га. В условиях ФРГ при выпадении 374 мм, 615 и 779 мм осадков из песчаной почвы вымывалось азота соответственно 33 кг/га, 41 и 56, из глинистой — 21 кг/га, 23 и 62 кг/га. В лизиметрических опытах ФРГ в годы с недостаточным количеством осадков вымывание азота зимой составляло 11 кг/га, летом — 1 кг/га, при среднем увлажнении соответственно 16 и 7, а в годы с обильными осадками — 46 и 14 кг/га. В опытах с одинаковым севооборотом при ежегодном внесении N80 из супесчаной почвы азота вымывалось в среднем за 9 лет 35, а из суглинистой — 22 кг/га.
В пятнадцатилетних лизиметрических опытах в ФРГ из супесчаной почвы калия терялось в год 57 кг/га, из суглинистой — 22 кг/га. В другой серии опытов из почвы под паром в подпочву вымывалось в среднем за 6 лет 22 кг/га К2О, а в звене севооборота картофель — овес — 16 кг/га. В засушливые годы потери кальция от вымывания составляли более 200 кг/га в год, при обильных осадках — 300, а при очень неблагоприятных условиях — даже 636—874 кг/га. Из внесенного с удобрениями кальция за длительный период в подпочву просачивалось около 25% этого элемента. Ежегодные потери магния от вымывания в зависимости от количества фильтрационной воды составляли около 15—30 кг/га.
Исследованиями, проведенными во Франции, установлено, что каждый миллиметр зимних осадков увеличивает глубину вымывания нитратов, оставшихся после лета, на песчаных почвах на 7 мм, на суглинистых — на 3, на глинистых — на 2 мм. По данным Хегборга, азот в форме нитратов передвигается вниз по профилю почвы с каждым миллиметром осадков в среднем на 0,5—1 см, на песчаных почвах это передвижение идет на 50% быстрее, чем на глинистых. При выпадении 120 мм осадков около 20 мм удерживалось в почве и около 100 мм проникало до уровня грунтовых вод. Максимальная концентрация азота наблюдалась на глубине 40 см, незначительная его часть оставалась в пахотном слое, остальная переместилась до глубины 70 см.
При внесении за 7 лет опыта N345 суммарные потери этого элемента на рыхлопесчаной почве составили 161 кг/га, на связнопесчаной — 83 кг/га, на супесчаной почве при внесении за 5 лет N280 — 84 кг/га.
С помощью 15N установили, что в фильтрационных водах преобладает азот почвы. Так, в год внесения азотных удобрений этот элемент практически не вымывался за пределы корнеобитаемого слоя почвы. А, по средним данным за 3 года, потери азота составили на рыхлопесчаных и связнопесчаных почвах соответственно 12,5 и 5,7%, на супесчаных в сумме за 3 года они не превышали 1% от внесенного количества. Фосфаты не вымывались за пределы метрового слоя почвы. Потери калия составляли 1,7—2,3 кг/га. В отдельные влажные годы они возрастали до 4,5—7,5 кг/га. Потери кальция, по сравнению с потерями других питательных элементов, были наиболее высокими — 47—60 кг/га. В этих опытах не известковали почву, а кальций вносили в составе удобрений. Если пренебречь процессами превращения кальция в почве и условно принять, что с удобрениями его вносили ежегодно на песчаных почвах 111, на супесчаных — 102 кг/га, то окажется, что на связнопесчаных почвах вымывалось 54%, на супесчаных — 46%, на песчаных — 37%. Небольшое вымывание кальция из песчаных почв объясняется незначительным содержанием в них обменного кальция.
По данным исследований, в Нечерноземной зоне фосфор практически не вымывается из почвы и не загрязняет природные воды. Как показали опыты, из тёмно-серых почв даже при внесении фосфора в дозе 120 кг/га под зерновые не обнаружено его вымывания. На легких почвах с промывным водным режимом вымывание фосфора возможно. По данным отечественных и зарубежных исследователей, с 1 га неорошаемых сельскохозяйственных угодий может вымываться не более 0,8 кг фосфора, на легких почвах этот показатель обычно больше.
Зарубежными и отечественными длительными опытами установлено, что систематическое применение органических и минеральных удобрений и их смесей обусловливает постепенное обогащение фосфором почвенного профиля.
Вымывание калия характеризуется более значительными величинами, чем фосфора. Это объясняется большим содержанием этого элемента в почве и большой его подвижностью. Размер вымывания калия зависит от разновидности почв (оно увеличивается с облегчением гранулометрического состава почв), содержания гумуса, наличия его подвижных форм, количества осадков и т. д. По данным ВИУА, на дерново-подзолистых длительно удобрявшихся почвах вымывание калия не ограничивалось пахотным слоем, а распространялось за пределы корнеобитаемого слоя. Потери его в два с лишним раза превышали накопление в пахотном слое.
Исследованиями, выполненными в Польше, показано, что потери калия в дренажные воды колеблются от 5 до 30 кг/га; на легких почвах они составляют 24— 67%, на легких суглинках — 3—22, на тяжелых — 2—15% от внесенной нормы. В Эльзасе (Франция) вымывание калия составило: на легких почвах 20—70, суглинистой 10—20, глинистой 10 кг/га. На легких почвах Ланды вымывание калия под орошаемой кукурузой без удобрений было 44 кг/га, а в варианте N200Р200К200 — 65 кг/га.
По данным английских опытных учреждений, вымывание калия варьировало в широких пределах (в кг/га): в Харвуде — 1—6, Саксмандхеме — 8, Бродбоке — 91, Вуберне — 46—156. Концентрация калия в грунтовых водах составляла 4—19 мг/л. В английском длительном опыте на легкой почве из внесенного количества калия за пределы полуметрового слоя почвы было вымыто 70%, вынесено культурами 23%, закреплено в обменной форме 7%.
Из катионов первое место по загрязнению грунтовых и природных вод занимает кальций. Имеются многочисленные данные об усиленном вымывании этого элемента, особенно в условиях интенсивного применения удобрений. Например, в ФРГ годовые потери кальция составляют 231—238 кг/га.
В длительных опытах, проведенных в Англии, ежегодные потери кальция с дренажными водами составляли 127—1016 кг/га в зависимости от количества осадков, разновидности почвы и содержания в ней кальция; концентрация кальция в дренажной воде достигала 120—150 мг/л. В среднем за год в дренажные воды его вымывалось 186 кг/га.
На почвах Франции потери кальция достигают ежегодно 200—400 кг/га; на легких суглинках под орошаемой кукурузой без удобрений они составили 44 кг/га, а при внесении N200P200K200 — 261 кг/га, т. е. внесение NPK вымывание кальция в подпочву увеличило в 6 раз.
В результате вымывания теряется также большое количество магния. Однако вымывание его из почвы в 10 раз меньше, чем кальция. Потери этого элемента составили (в кг/га): в ГДР 6—15, в ФРГ от 5—30 до 12—72, в Англии 13—54. Во Франции на неудобренном участке кукурузы магния вымывалось 7 кг/га, при внесении N200P200K200 — 94 кг/га, т. е. в 13 раз больше. Потери магния на кислых почвах бывают значительно больше, чем на известкованных. Концентрация магния в грунтовых водах Ротамстеда составляет 6—11, а в водоеме — 10—11 мг/л.
По данным исследований, проведенных в Белоруссии, вымывание магния из легких почв без удобрения составляло 24—28 кг/га, а при внесении удобрений и извести вымывание возрастало до 87 кг/га.
Грунтовые и природные воды загрязняет и сера, круговорот которой сходен с круговоротом азота, поскольку процессы нитрификации и сульфофикации протекают обычно параллельно. Образующиеся сульфаты легко вымываются в дренажные и грунтовые воды. Сера, как и азот, может закрепляться в органической форме. В кислой анаэробной среде она связывается соединениями железа, алюминия, бария и стронция; в нейтральных и щелочных почвах связывается в форме гипса. В Западной Европе серы из почвы вымывается в среднем 15 кг/га, в ФРГ — 13—21, Швеции — до 23, Норвегии — 30—40 кг/га. Вымывание сульфатной серы в ФРГ на песчаных почвах достигало 363, на суглинистой карбонатной — 349 кг/га; зимой вымывалось 55% на песчаной и 78% на суглинистой почве (от общей суммы годичных потерь серы).
В опытах, проведенных в Австралии, в промывные воды попадало до 90% внесенной с удобрениями серы. Наибольшее вымывание серы отмечено при внесении суперфосфата.
В Саксмандхеме (Англия) концентрация серы в грунтовых водах составляла 22—62 мг/л, а в водоеме — 54—58 мг/л. В Лонг-Айленде концентрация серы в грунтовой воде была на удобренном луге 93 мг/л, на неудобренном — 29, на смежном участке пашни — 51—65, под лесом — 46 мг/л (при ПДК 17 мг/л). Ежегодное вымывание серы в грунтовые воды было следующим (в кг/га): в Саксмандхеме до 400, в Вуберне — 522—1871, на опытном поле Хорвуд до 357. Эти данные свидетельствуют о том, что загрязнение грунтовых природных вод серой создает серьезную проблему качества водных источников.
Большие потери питательных веществ наблюдаются в условиях орошения. Несовершенство оросительных систем часто сопряжено с необходимостью сбрасывать избыток оросительной воды в реки и водоемы, а вместе с ней теряется и большое количество питательных элементов, особенно при повышенных дозах удобрений.
Исследования Новочеркасского гидрохимического института, проведенные на орошаемых массивах Северного Кавказа, где для удобрения применяли суперфосфат, сульфат аммония, аммиачную селитру и мочевину, показали, что суперфосфат практически не вымывается из почвы. Азотные удобрения вымывались в значительных количествах. В грунтовые воды они попадали в основном в форме нитратов, концентрация которых повышалась до 20 мг/л (что в сотни раз выше, чем в оросительной воде), NH4 — до 0,2 мг/л. При удобрении сульфатом аммония и мочевиной вода в коллекторах содержала NO3 до 3,5—10 мг/л, NH4 — 1,6—2,7 мг/л. Балансовые расчеты показали, что на Пролетарской оросительной системе с коллекторными водами выносится ежегодно 16% азота, на Старо-Теречной — 22%. Потери питательных веществ возрастают пропорционально проточности систем.
А. С. Демченко и др. (1976) отмечают, что при внесении удобрений концентрация азота в коллекторных водах, сбрасываемых с орошаемых массивов, составляет в летний период 10 мг/л и более, что в десятки и даже сотни раз больше, чем фоновые величины. Максимальные концентрации азота наблюдаются в периоды внесения удобрений. Заметный вынос азота наблюдался также и в осенние месяцы, что свидетельствует о миграции части удобрений в грунтовые воды и затем в коллекторную сеть. Вынос удобрений обычно находится в обратной зависимости от времени, прошедшего от их внесения до начала сброса воды с полей. В течение вегетационного периода с коллекторными водами выносится до 22% азота от общего поступления его на поля с удобрениями и оросительной водой.
Как показали исследования, 30—40% общего выноса азота с поверхностным стоком с неорошаемых водосбросов, представленных супесчаными почвами, составляет 1,04 кг/га, суглинистыми — 3,98 кг/га, или соответственно 1,1 и 3,8% от среднего количества внесенных на поле удобрений.
Большую роль в снижении потерь питательных элементов в окружающую среду (особенно азота) играют гумус почвы, органические удобрения и запаханные растительные остатки. Органический азот в составе гумуса и растительных остатков не теряется из почвы, постепенно минерализуясь, он служит источником питания растений в течение вегетации. Велика биохимическая роль гумуса в почве. Органическое вещество создает химические связи между углеродом и азотом, причем аккумуляция органического азота не превышает 10% от общего углерода.
При внесении органического удобрения или минерального азотного удобрения вместе с соломой или другим органическим веществом, способным вызвать иммобилизацию азота, снижается процесс нитрификации и миграции азота в подпочву. Для борьбы с загрязнением вод нитратами наиболее важным фактором является правильное соотношение между количеством органических и минеральных удобрений.
В штате Нью-Йорк изучали потери минерального азота из суглинистой почвы под различно удобренными культурами в севообороте с запашкой растительных остатков в почву, сжиганием остатков и оставлением поверхности почвы без обработки. При высоких дозах удобрений потери азота были в 4 раза больше, чем при низких. После сжигания растительных остатков потери азота были также в 4 раза выше, чем при запашке корней и остатков в почву. Практически весь смываемый азот был представлен нитратной формой.
Некоторые руководители хозяйств и специалисты необходимость сжигания стерни объясняют улучшением обработки почвы, борьбы с вредителями и болезнями и т. д. Однако тот ущерб, который наносится сжиганием послеуборочных остатков, нельзя оправдать. Еще классики отечественного земледелия неоднократно указывали на необходимость полного использования всех растительных остатков.
На экспериментальной ферме университета штата Калифорния (США) в опыте с кукурузой был проведен анализ поступления и потерь азота. Потери азота в результате выщелачивания составили 5,7 кг/га.
Размер выщелачивания азота зависит прежде всего от количества внесенного азота и вынесенного урожаем. Его можно регулировать дозами внесения азотных удобрений.
В США по специальной программе с помощью математического моделирования проведен анализ возможных экономических ситуаций при различных методах ограничения использования удобрений. Оказалось, что норма азотных удобрений до 112 кг/га под кукурузу, сорго и пшеницу в целом по стране не приведет к необходимости увеличивать площади под этими культурами. Расширение площади пашни (на 16%) потребуется при снижении дозы азота до 56 кг/га; это приведет к серьезному экономическому ущербу.
Во избежание возможного негативного действия удобрений на окружающую среду важную роль играет совершенствование технологии их применения с учетом требований возделываемой культуры и климатических условий. В практике нередки случаи, когда удобрения применяют в значительно больших нормах, чем необходимо для получения планируемого уровня урожаев. В ряде подмосковных хозяйств в течение нескольких лет средняя доза азотных удобрений на 1 га пашни составляла 150 кг/га и более, а общая сумма питательных веществ — 400—500 кг/га. Такие дозы экономически не оправданы, а с точки зрения охраны окружающей среды нежелательны. Высокими нормами удобрений нельзя компенсировать вред, причиняемый нарушением технологии их применения (Ковда и др.. 1980).
Внесение повышенных доз (N170P170K170 и N340P340K340 в расчете на 3 года) в Белорусской ССР вызвало резкое увеличение концентрации почвенного раствора не только в результате поступления элементов с удобрениями, но и из-за усиления подвижности элементов удобренной почвы. Потери питательных веществ резко возрастали с увеличением доз минеральных удобрений: они были также более высокими на почвах легкого гранулометрического состава и при внесении всей нормы минеральных удобрений осенью.
На орошаемом культурном пастбище в пойме р. Москвы в вариантах N450 и N600 травы не полностью использовали азот удобрений и разница между количеством внесенного азота и выносом его урожаем травостоя за сезон составляла 50—215 кг/га. Общая убыль нитратов из гумусового горизонта (0—30 см) на легкосуглинистой почве в варианте N450 составила 48,2%, в варианте N600 — 35,2%, а на тяжелосуглинистой почве соответственно 23,3 и 21,8%. Таким образом, применение очень высоких доз азотных удобрений на культурных пастбищах способствовало накоплению значительных количеств минерального азота в виде нитратов, которые в течение осенне-весеннего периода мигрировали по почвенному профилю.
Сравнительное изучение азотного баланса на водосборной территории одного из притоков р. Оки показало, что при пятикратном увеличении доз минеральных удобрений содержание нитратов в грунтовых водах за 10 лет повысилось в 10 раз. В стационарных опытах, проведенных в Молдавии, при ежегодном внесении N120 содержание нитратов в лизиметрических водах возрастало в 1,5—2 раза, а в некоторых случаях — в 14—40 раз.
В ГДР изучали влияние доз удобрений на загрязнение поверхностных и грунтовых вод на песчаных и суглинистых почвах.
С увеличением дозы удобрений повышалась концентрация азота в инфильтрационной воде преимущественно в нитратной форме. При длительном применении высокие дозы ведут к увеличению запаса в почве легкогидролизуемых органических фракций, и при благоприятных условиях нитрификации концентрация нитратов может превысить ПДК — 50 мг/л. Избыток элементов питания, внесенных в почву с удобрениями, должен рассматриваться как потенциальный источник их вымывания. По вымыванию питательных элементов культуры в этих опытах располагались в следующем порядке: овощи → корнеплоды → зерновые → кормовые травы.
На основании результатов исследований сделан вывод, что в районах, где существует риск вымывания азота, предпочтение следует отдавать севооборотам с чередованием зерновых и кормовых культур. Такие севообороты способствуют пополнению запасов гумуса за счет соломы и растительных остатков, благодаря чему накапливаются легкогидролизуемые органические соединения.
Потери фосфора от вымывания составляют обычно около 1 кг/га. На крупнозернистых песчаных почвах при выщелачивании илистой фракции потери фосфора могут достигать 10—15 кг/га.
Много внимания изучению влияния применения минеральных удобрении на окружающую среду уделяется в Чехословакии. Исследованиями установлено, что наибольшее загрязнение водных источников наблюдается при внесении нитратной формы азота, которая не фиксируется почвой и интенсивно вымывается не только из пахотного слоя, но и из всего почвенного профиля. Ин-
тенсивность этого процесса зависит от дозы удобрения, физических свойств почвы, количества и интенсивности атмосферных осадков и т. д. Так, за 2 года при внесении азота в дозе 270 кг/га в слое почвы 50—100 см накопилось 8% нитратов, при дозе 720 кг/га — 14%, при дозе 1620 кг/га — 20%. Фосфор терялся в основном в результате поверхностного смыва почвы в количестве до 10 кг/га. Калий вымывался из почвы в минимальных количествах, что не представляло большой опасности с точки зрения загрязнения вод или ухудшения почв. Поэтому на тяжелых почвах, где миграция калия практически исключена, чешские ученые рекомендуют разовое внесение калийных удобрений в запас на 3—4 года.
О том, что нарушение технологии применения удобрений, особенно чрезмерно высокие их дозы, приводит к значительной миграции питательных элементов, в том числе и фосфора, по профилю почвы свидетельствуют также исследования, выполненные в ФРГ. Установлено, что перемещение фосфора, содержащегося в жидком навозе, в более глубокие слои песчаных почв может происходить уже при содержании в пахотном слое 60 мг Р2О5 на 100 г почвы. За 15 лет из пахотного слоя на глубину 60—90 см переместилось около 1000 кг Р2О5/га. Возможность миграции фосфора в более глубокие слои почвы установлена также и на глинистых почвах при содержании фосфора в лактатной вытяжке 100 мг/100 г почвы. Фосфор жидкого навоза быстрее перемещается по профилю почвы, чем фосфор минеральных удобрений.
В ВИУА изучали влияние ежегодного применения возрастающих доз бесподстилочного навоза в травяно-пропашном кормовом севообороте на миграцию нитратов по профилю дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы.
Внесение неоправданно высоких доз удобрений создает реальную опасность загрязнения грунтовых вод нитратами. Так, на варианте с пятью дозами навоза (N3080) нитраты были обнаружены на глубине 9 м, в то время как на контроле нитратов не было во всем профиле. На удобренных делянках в верховодке нитратного азота содержалось 30—32 мг/л.
За последние годы накоплено немало экспериментальных данных, свидетельствующих о больших потерях питательных элементов в окружающую среду в результате нарушения технологии применения органических удобрений, особенно бесподстилочного навоза. Основным путем предотвращения загрязнения биосферы является научно обоснованная технология использования навоза (дозы, сроки, способы внесения и заделки) в комплексе с другими приемами агротехники. В США был проведен опыт по определению потерь питательных элементов из навоза от молочного скота в зависимости от сроков его внесения под кукурузу и люцерну.
В стоке с делянок под люцерной терялось до 20% азота и 16% ортофосфорной кислоты, содержащихся в навозе, а в стоке с делянок под кукурузой терялось не более 3% азота и 4% ортофосфатов. Авторы приходят к выводу, что удобрение навозом по мерзлой почве не представляет угрозы загрязнения, если его вносить после вспашки. Правильное применение навоза по мерзлой почве может быть также эффективным средством снижения эрозии почвы и потерь с талой водой весной.
В Великобритании изучали влияние различных доз коровьего навоза, вносимого на пастбище, на состав дренажных вод. Навоз был внесен в марте 1972 г. Состав его: 15,6% сухого вещества, 2,15% N, 1,02% P и 2,03% К. В течение двух месяцев после внесения навоза нитраты в почве не накапливались. В течение лета и осени в профиле почвы азота накапливалось до 250 кг/га. Максимальная концентрация в результате выщелачивания была в слое 40—60 см через 12 месяцев после внесения навоза.
По мере увеличения норм внесенного навоза концентрация нитратов в дренажной воде возрастала. Максимальной она была в первый месяц исследований (декабрь 1972 г.). В дальнейшем разница в концентрации азота между контролем и унавоженными делянками была менее значительной.
В ФРГ установление допустимых норм удобрений в сельском хозяйстве контролируется законодательными органами. Нарушение норм внесения жидкого навоза считается в том случае, если на 1 га сельскохозяйственных угодий приходится более трех единиц удобрения от крупного рогатого скота. При использовании твердого навоза эти нормы увеличиваются на 50%. За единицу органического удобрения принимается его количество от крупного рогатого скота, в котором содержится не больше 80 кг N и 70 кг Р2О5. Эта единица соответствует примерно выходу навоза от одной коровы, или от трех телят в возрасте до 3 месяцев, или от двух племенных свиноматок с приплодом и т. д. Чтобы не завышать нормы внесения навоза, для переработки его излишков используют специальные установки: сушки, отстойники, хранилища для жидкого навоза с покрытием фольгой и т. д.
Важную роль в повышении эффективности удобрений и предотвращении потерь питательных веществ в окружающую среду играют сроки и способы внесения. Не всегда потребность той или иной культуры в питательных веществах можно удовлетворить разовым внесением всей нормы удобрений. Возникает необходимость в дробном внесении туков в оптимальные сроки с учетом требований культуры, погодно-климатических условий, свойств почвы и удобрений.
Для каждой почвенной разновидности в определенных климатических условиях свойственны свои уровни накопления подвижного минерального азота. Например, в Западной Сибири практически отсутствует промывной водный режим почв и вымывание нитратов там несущественно. Многочисленными полевыми опытами установлена одинаковая эффективность как осенних, так и весенних сроков внесения азотных удобрений под зерновые культуры. Это объясняется тем, что в эти периоды нитратные и аммонийные ионы не вымываются за пределы слоя почвы 0—30 см.
Потери нитратов можно регулировать сроками и способами внесения удобрений в сочетании с комплексом приемов противоэрозионной обработки почвы. Нельзя не согласиться с рядом авторов в том, что загрязнение природных вод минеральными соединениями азота при интенсивном применении удобрений не является неизбежным следствием химизации земледелия, а есть результат нарушения научно обоснованных приемов внесения их в почву.
Институт агрохимии и почвоведения АН СССР в течение ряда лет (1972—1977) в стационарном полевом опыте на серой лесной почве Калужской области изучал действие и последействие азотного удобрения в связи с миграцией нитратов по профилю почвы. Было установлено, что поведение нитратов в профиле почвы при интенсивном внесении азотного удобрения определяется взаимодействием двух противоположно направленных потоков влаги: нисходящего наиболее выраженного в осенний и ранневесенний периоды, и восходящего, вызываемого промерзанием и эвапотранспирацией. Последние ограничивали вымывание нитратного азота в глубокие горизонты почвы и попадание в грунтовые воды, залегающие на глубине 10—12 м. Многие исследователи отмечают, что накопление нитратов в водоисточниках более вероятно в результате смыва азотного удобрения при слишком ранней азотной подкормке озимых культур и многолетних трав, а также при осеннем поверхностном внесении азота.
Мерами, предотвращающими миграцию элементов во внутрипочвенный слой, являются внесение азотных удобрений весной перед посевом, дробное их применение в период вегетации, введение занятых паров, посев промежуточных культур и т. д. Многочисленными исследованиями с 15N установлено, что значительные газообразные потери азота наблюдаются в том случае, когда поле не занято растениями, а также при поверхностном внесении удобрений.
В лизиметрических опытах О. Ю. Зардалишвили со среднесмытой перегнойно-карбонатной почвой было внесено азота 90 кг/га. Потери его из почвы, не занятой растениями, составили 53%, а занятой кукурузой — 7,2—17,3%. Приближение сроков внесения удобрений к периоду интенсивного потребления азота растениями существенно снижает его потери. На перегнойно-карбонатной почве азот вносили в три приема: N10 в рядки, N3o в первую подкормку и N50 во вторую; на бурой лесной почве: N10 в рядки, N20 в первую подкормку, N30 во вторую. При таком дробном внесении удобрений потери азота на перегнойно-карбонатной почве снизились на 10,1% и составили 7,2%, урожай кукурузы повысился на 9 ц/га. На бурой лесной почве потери азота сократились на 7,7% и составили всего 5,2%, урожай увеличился на 5,1 ц/га.
На сенокосных угодьях непроизводительные потери азота удобрений можно снизить до минимума, а коэффициент использования азота резко повысить при внесении соответствующих доз азота после каждого укоса травостоя.
Исследованиями, выполненными в США, выявлено, что в условиях орошения потери азотных удобрений можно значительно сократить, если их вносить дробно с поливной водой. Коэффициент использования азота при этом увеличивается, а вымывание его уменьшается. В опытах с кукурузой на песчаных почвах в зоне Великих Равнин при внесении азота перед посевом в дозе 168 кг/га урожай зерна при орошении составил всего лишь 30 ц/га. Внесение той же дозы с поливной водой в несколько приемов почти удвоило урожай зерна (56,4 ц/га). При дозе 252 кг/га в тех же вариантах урожай зерна достиг соответственно 74,6 и 79 ц/га, а при дозе 336 кг/га — 81,5 и 80,8 ц/га. В последнем случае разницы в урожае практически не было, что свидетельствует о том, что такое повышение дозы азота не оправдано вследствие возрастания потерь от его вымывания, особенно при внесении всего количества удобрений в один прием. При внесении удобрений с помощью дождевальной установки вымывание азота при дозе 168 кг/га составляло 0—68 кг/га, при 252 кг/га — 43—47, при 336 кг/га —104—130 кг/га. При разовом внесении их перед посевом в тех же нормах потери азота были соответственно 16—91 кг/га, 99—137 и 158—194 кг/га.
Потери азота от вымывания зависят также от формы удобрений. На легких почвах с промывным режимом в условиях достаточного и повышенного увлажнения, а также в районах орошения азотные удобрения целесообразнее применять в аммонийной и амидной формах и приближать сроки их внесения к посеву культур или к фазам наибольшего потребления ими азота.
Исследования баланса азота с помощью 15N, выполненные в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, показали, что нитратный азот использовался всеми культурами лучше, чем аммоний. Потери азота удобрений и превращение его в органическую форму под всеми культурами наблюдались в основном в первый месяц вегетации.
По данным норвежских ученых, удобрение лесов со значительными интервалами (5—20 лет) и большими разовыми дозами приводит к временной перегрузке ими экосистемы и повышает опасность вымывания питательных веществ. В Швеции при дозах нитрата аммония 115—175 кг в питьевой воде обнаруживали до 40 мг/л нитратов (при ПДК 50 мг/л). При использовании мочевины вымывание было незначительным, так как она быстро гидролизуется. По данным лизиметрических исследований, при использовании нитратно-аммонийного удобрения в течение трех лет из слоя 0—40 см вымывалось около 90% нитратов, а при использовании аммонийного удобрения — только 17%.
Особое место в комплексе агрономических приемов, направленных на предотвращение потерь удобрений в окружающую среду, является структура посевных площадей, т. е. специализация севооборота, подбор культур с учетом агропроизводственной классификации почв (особенно их гранулометрического состава), дренированности, эрозионной опасности, плодородия и т. д. Нужно стремиться к тому, чтобы поверхность почвы была максимальное время закрыта растительностью. В связи с этим во всех земледельческих зонах важно строго соблюдать соотношение в севообороте пропашных культур и культур сплошного посева, применять посев однолетних и многолетних трав, поукосных и пожнивных культур и т. д.
По данным М. А. Бобрицкой и др. (1965, 1972), при наличии растительного покрова (зерновые и бобовые культуры) потери азота составляли 0—0,48% от внесенной дозы, а без растительного покрова (пар) возрастали до 1,26—9,74%. Отмечается, что существенные потери азотных удобрений возможны лишь на легких песчаных почвах, содержащих менее 20% физической глины (частиц 0,01 мм). Потери азота в результате вымывания в зависимости от форм азотных удобрений зависели от наличия растительного покрова. В почве под культурами различий в потерях азота в зависимости от форм удобрений не наблюдалось, а без растительного покрова нитратные формы азота приводили к значительно большим потерям, чем аммонийные.
В результате четырехлетних наблюдений ВИУА установлено, что величина потерь азота от вымывания зависит от типа культуры и формы удобрения. Она была наибольшей при возделывании льна и внесении селитры, наименьшей — в опыте с травами. Основное количество вымытого азота представлено азотом почвы, доля же азота удобрений составляла 4% от внесенной дозы.
По данным Белорусского НИИ почвоведения и агрохимии, возделывание пропашных культур на торфяно-болотных почвах приводило к значительным потерям питательных веществ.
На торфяно-болотной почве, занятой овощным севооборотом, потери кальция и магния достигали 707 кг/га, полевым — 230, многолетними травами — 120 кг/га. Вымывание водорастворимого гумуса изменялось от 203 кг в овощном севообороте до 70 кг под травами, азота нитратного — от 141 до 7 кг.
О том, что пожнивные культуры существенно снижают потери питательных веществ в результате вымывания, подтверждают многолетние исследования, выполненные в Швейцарии. Опыты проводили в течение 6 лет на двух почвах: буроземе с плохой водопроницаемостью и известковой бурой почве с нормальной водопроницаемостью. Варианты опыта следующие:
- основная культура/пар;
- основная культура/рапс на зеленое удобрение;
- основная культура/рапс на зеленое удобрение + солома;
- основная культура/рапс на зеленое удобрение + александрийский клевер;
- основная культура/александрийский клевер на зеленое удобрение + солома.
Чередование культур в севообороте было следующее: овес, яровая пшеница, кукуруза на зерно, яровая пшеница, овес, кукуруза на зерно. Пожнивные культуры высевали после всех сельскохозяйственных культур, за исключением кукурузы на зерно, после которой до уборки последующей яровой культуры поле оставляли под паром.
Потери калия были незначительными, а потери фосфора вовсе не обнаружены. Возделывание пожнивных культур значительно снижало потери нитратного азота. Судя по потерям кальция, известкование эффективно только при равномерном дробном внесении достаточных его доз.
В исследованиях, выполненных в США (1959), показано, что из парующей почвы вымывалось больше питательных элементов, чем из почвы под растениями: азота соответственно 76 и 6 кг/га, серы 52 и 42, калия 77 и 62, магния 65 и 41, кальция 413 и 116 кг/га.
Многолетними исследованиями на Лимбургергофской опытной станции (ФРГ) установлено, что растительный покров, интенсивность развития корневой системы, продолжительность вегетационного периода в сильной степени влияли на потери питательных элементов. Например, из почвы под луговыми травами вымывалось азота менее 10 кг/га, в то время как на виноградниках ежегодные потери этого элемента из-за вымывания составляли 60—80 кг/га. На гумусированной песчаной почве вымывание калия под зерновыми и пропашными культурами составляло 53—58 кг/га, а под садовыми культурами и лугопастбищными угодьями — 47 и 43 кг/га.
На основании анализа экспериментальных данных и передовой практики земледелия можно отметить ряд общих положений, которые следует учитывать при разработке и внедрении эффективной технологии применения удобрений.
Необходимо соблюдать оптимальные нормы внесения удобрений в севообороте и под каждую сельскохозяйственную культуру. Агрохимической наукой разработано несколько способов определения оптимальных норм удобрений, но все они сводятся в основном к балансовым расчетам с учетом планируемой урожайности, эффективного плодородия почвы, предварительной заправки почвы удобрениями, коэффициентов использования питательных элементов из почвы и удобрений, последействия удобрений в севообороте, биологических особенностей культуры и сорта и других показателей.
Расчетные нормы удобрений должны быть достаточно проверенными в конкретных условиях путем постановки полевых опытов на местах. Не следует увлекаться внесением завышенных норм удобрений. Как правило, это не оказывает положительного влияния на урожай и качество продукции, но приводит к значительным непроизводительным затратам питательных элементов и потерям их в окружающую среду.
Системы удобрения должны предусматривать оптимальное соотношение питательных элементов с учетом требований культуры, наличия подвижных форм питательных элементов в почве и особенностей климата. Эти соотношения определены Географической сетью опытов и изложены в рекомендациях по эффективному использованию удобрений по зонам страны. На практике довольно часто допускаются нарушения соотношения питательных элементов в применяемых удобрениях. Это приводит к снижению урожая, ухудшению качества продукции, к большим потерям биогенных элементов удобрений и почвы.
Сроки внесения удобрений необходимо увязывать с биологическими особенностями культур, главным образом периодичностью питания, свойствами почвы, климатическими особенностями зоны, а также формами применяемых удобрений. На легких почвах, особенно в районах достаточного увлажнения, предпочтение следует отдавать дробному внесению удобрений в процессе вегетации культуры. Это относится прежде всего к азоту. Внесение азотных удобрений под предпосевную обработку почвы весной и в подкормку растений дает лучшие результаты, чем внесение их осенью под зябь. На более тяжелых почвах, особенно при недостаточном увлажнении, не только фосфорные и калийные, но и азотные удобрения рекомендуется вносить осенью в основном под зяблевую вспашку. Исключением является припосевное (припосадочное) внесение удобрений, которое практически повсеместно дает положительный эффект.
Периодическое внесение фосфорных и часто калийных удобрений (2—3 года в севообороте) допускается на суглинках и других тяжелых почвах. Вносить удобрения лучше под интенсивные культуры севооборота, что повышает окупаемость питательных элементов. На дерново-подзолистых, серых лесных почвах, оподзоленных черноземах и других с повышенной кислотностью для периодического внесения целесообразно использовать фосфоритную муку, преципитат, томасшлак и другие слаборастворимые формы. Хлорсодержащие калийные удобрения нужно вносить с учетом специализации севооборота, так как хлор в повышенных количествах снижает качество продукции культур, чувствительных к хлору.
Осушенные, особенно торфяно-болотные, почвы лучше использовать под культуры сплошного посева или под высокопродуктивные луга. Размещение на этих почвах пропашных культур приводит к усиленной мобилизации естественного плодородия, нерациональному его использованию, а применение чрезмерно высоких доз удобрений — к значительным потерям питательных элементов прежде всего в грунтовые воды. На этих почвах необходимо двойное регулирование влаги (осушительно-оросительная система).
В условиях орошения особенно важно соблюдать научно обоснованные нормы, сроки и формы внесения удобрений. Это позволяет повышать коэффициент использования питательных элементов сельскохозяйственными культурами и снижать их потери со сбрасываемыми коллекторными водами.
При разработке и внедрении систем удобрения в севообороте важно учитывать его специализацию и стремиться к тому, чтобы пашня максимальное время в году была занята культурными растениями. Лишь в засушливых степных районах целесообразно оставление чистых паров. Эффективно применение пожнивных и промежуточных посевов. Это существенно снижает потери питательных элементов в грунтовые воды, смыв их с поверхностными водами, а также газообразные потери азота в атмосферу.