Как уменьшить риски при раннем посеве

Весна 2017 г. не оправдала опасений аграриев. Страхи были стандартными: в апреле будет сухо, а с начала мая - жарко. Но в конце апреля прошли снегопады, а в мае - проливные дожди.

Недостаток тепла и избыток влаги оказались губительной комбинацией для посевов кукурузы, высеянных в первую-вторую декаду апреля. На одних полях холод повредил набухшие семена, на других - появившиеся на поверхности всходы.

Обильные майские осадки кое-где «утопили» кукурузу. Там же, где вода успела сойти, она унесла с собой внесенные до посева почвенные гербициды и азотные удобрения.

Как утверждал Сэмюэл Джонсон, «люди не подозревают об ошибках, которых не совершают». Аграриям, привычно упреждающим майскую засуху посевом кукурузы в ранние сроки, нелегко понять, что они сделали «не так» в этом году. И что можно было сделать.

Фото 1. Погода в апреле 2017 г. удивила и огорчила резким понижением температурыПогода в апреле 2017 г. удивила и огорчила резким понижением температуры

 

Citius, Altius? Fortius!

(Быстрее, выше, сильнее!)


И если есть предел времен,

То зыбкий их объем

Меж нами так распределен,

Чтоб каждый при своем.

Дмитрий Быков


С начала 2010-х кукурузу во всех странах Северного полушария сеют намного раньше, чем 20-30 лет назад. Во Франции, например, за 20 лет срок сева «царицы полей» свдинулся на три недели (5-10 апреля), в США - на две. В Италии и Испании кукурузу сеют в конце марта. И даже в Польше, Германии и Беларуси культуру начинают сеять в конце второй декады апреля. Это при том, что в середине прошлого века в Беларуси начинать посев раньше второй декады мая было просто бессмысленно.

Украина не отстает от «общеевропейского тренда», поэтому кукурузу сеют не в мае, а в апреле. На юге страны в конце первой - начале второй декады, а на севере - в начале третьей декады. Существующие аргументы в пользу раннего посева кукурузы можно условно разделить на две группы: 1) возможности сеять рано; 2) необходимость сеять рано. Объективные возможности проведения раннего посева - это изменение (потепление) климата и распространение холодоустойчивых высокопродуктивных гибридов. Повышение среднегодовой температуры на 1°С отодвинуло границу распространения кукурузы в Европе на 200 км к северу. Там, где она является традиционной культурой, появилась возможность выращивать более продуктивные позднеспелые гибриды за счет удлинения периода вегетации на 20-25 дней.

Набухание семени без негативных последствий проходит при температуре выше +8-10°С. Если температура ниже, то мембраны клеточных стенок теряют эластичность. Увеличение объема гидратированных зерен крахмала буквально разрывают семя изнутри, повреждая клеточные стенки

Для большинства «старых» гибридов кукурузы температура прорастания семян должна быть не меньше + 10-12°С, а оптимальная температура вегетации - более +15°С. За последние 15-20 лет появились новые высокопродуктивные гибриды, семена которых прорастают при температуре +7-8°С, а посевы нормально вегетируют при температуре воздуха от +12°С. Устойчивостью к холоду отличаются не только скороспелые гибриды кремнистой кукурузы с ФАО 180-210, пози ционировавшиеся как холодоустойчивые еще 30-40 лет назад. Не боятся холода и современные зубовидные гибриды с ФАО 300-400, а их раньше считали «теплолюбивыми неженками».

Таблица 1. Температура почвы и полевая всхожесть кукурузы

Скороспелая раннеспелая кукуруза движется на север, осваивая новые регионы. А позднеспелая холодоустойчивая кукуруза в зонах традиционного выращивания вытесняет менее продуктивные гибриды с меньшей продолжительностью вегетационного периода.

Потепление климата имеет и негативные последствия. Повышение температуры воздуха в «теплых» странах в летние месяцы превращает июль-август в настоящее пекло. Поэтому в Италии и Испании кукурузу сеют очень рано (в марте!), чтобы избежать потерь от жары в фазу цветения и налива семян кукурузы. То есть для борьбы с жарой используют... холодоустойчивые гибриды!

Аргументы в пользу раннего посева отличаются в «теплых» и «холодных» странах. В «теплых» странах ранний посев используют для того, чтобы «обогнать» летнюю жару, то есть избежать воздействия экстремально высокой температуры и сухости воздуха на растения в критические фазы развития. А в «холодных» странах кукурузу сеют рано для того, чтобы предотвратить повреждения созревающей культуры осенними заморозками. Но существуют и универсальные «плюсы» раннего посева.

Один из самых весомых аргументов в пользу раннего посева - снижение влажности зерна при уборке. Посев на 10-14 дней раньше обычных сроков снижает уборочную влажность зерна в среднем на 5%, а в холодные годы - на 8%. Каждые 10 дополнительных единиц ФАО повышают влажность зерна на 0,8%, поэтому для уменьшения уборочной влажности поздних гибридов ранний посев оправдан.

Фото 3. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Фото 4. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Фото 5. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Ранний срок посева также практикуют в ситуации, когда сеять необходимо много, а техники - мало. Начало кампании на одну-две недели раньше обычных сроков позволяет «растянуть» посевную и более эффективно использовать машиннотракторный парк. Но ранний посев - это не только очевидные преимущества. Развитие кукурузы в холодной почве происходит медленно. От посева до появления всходов иногда проходит 3-4 недели. А за это время погода может организовать неприятный «сюрприз» в виде резкого похолодания, обильных осадков и/или резкого потепления. Ранние всходы могут утонуть на затопленном ливнями поле или зачахнуть под почвенной коркой. Резкое похолодание может простудить набухшие семена, а заморозки -прихватить всходы. Вероятность успеха раннего посева зависит от многих факторов: особенностей гибрида, качества семян и протравителя, типа почвы и способа ее обработки, глубины посева, вида и способа внесения в почву минеральных удобрений и гербицидов. И, конечно же, от погоды. Решающее значение имеет способность почвы прогреваться и удерживать тепло. Тяжелые влажные почвы прогреваются намного медленнее, чем легкие песчаные, супесчаные. Поэтому посев на глинистых почвах целесообразнее проводить позже, чем на рыхлых почвах легкого механического состава.

Значение имеет не только тип почвы, но и способ ее обработки. Поверхность, покрытая растительными остатками, прогревается лучами солнца намного медленнее, чем вспаханная или закультивированная. Кроме того, растительные остатки способствуют сохранению влаги. Повышенная влажность почвы увеличивает ее теплопроводность, «передавая» холод из глубоких слоев на поверхность. Поэтому технология No-till на тяжелых суглинках плохо совмещается с ранними сроками сева. Лучше не спешить и приступать к севу тогда, когда термометр на глубине заделки семян поднимется до заветной цифры +10°С. Это подтверждает американский опыт.

Схема 1. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

В США типичные почвы Кукурузного пояса имеют тяжелый механический состав и содержат много органики. То есть хорошо удерживают влагу и сохраняют холод. При наличии слоя растительных остатков они прогреваются значительно медленнее, чем при обработке. При посеве в обычные сроки это не создает проблем. Но попытки сеять очень рано часто заканчиваются пересевом.

В 2000-е годы посев кукурузы в ранние сроки по технологии No-till ознакомил с холодовым стрессом регионы США, ранее с этой проблемой не сталкивавшиеся.

Таблица 2. Симптомы повреждения проростков/всходов кукурузы и их вероятные причины

В холодных северных и теплых южных/западных штатах США процент площадей кукурузы, поврежденной низкими температурами, практически одинаков. Причина холодового шока в теплых штатах - No-till + тяжелые глинистые почвы + ранние сроки сева.

Глубина посева тоже имеет значение. На тяжелых почвах кукурузу лучше сеять мелко, на 2,5-3 см и прикатывать борозду для лучшего нагрева. Так сеют кукурузу некоторые американские фермеры, а в Украине подобный прием был частью технологии выращивания кукурузы на Полесье, разработанной еще в 1980-е годы.

О том, что не стоит сеять в холодную почву гибриды, не отличающиеся повышенной холодоустойчивостью, можно даже не писать. Это - аксиома.

«Холодная ванна» для семян


Бродило бродит. Гниль Гниет.

Ожившая вода, Кусками скидывая лед,

Снует туда-сюда.

Дмитрий Быков


Сухие семена кукурузы могут оставаться целыми и невредимыми в течение многих лет при температуре около 0°С. Но достаточно добавить немного воды, и набухшее семя становится очень чувствительным к низкой температуре. Сильное охлаждение или интенсивное поступление холодной воды в семя при набухании могут повредить внутренние структуры семян. В том числе - его зародыш.

В процессе набухания семя увеличивается в объеме, а его оболочки приобретают эластичность. Стенки клеток зародыша и эндосперма растягиваются при температуре выше +10-12°С. Но при низких температурах липиды, входящие в состав клеточных мембран, переходят в твердое состояние. Клеточные мембраны теряют способность растягиваться и при дальнейшем набухании гидратированных зерен крахмала лопаются. Содержимое клеток просачивается наружу, подкармливая патогенную микрофлору почвы. Грибы и бактерии усугубляют ущерб и добивают поврежденные семена.

Таблица 3. Выживаемость молодых растений кукурузы при затоплении

В экспериментах, проведенных в США, были установлены особенности поглощения холодной воды семенами кукурузы. При замачивании наибольшее количество воды поглощалось в первые 30 минут. В дальнейшем поступление влаги в семя происходило значительно медленнее. В течение последующих 2,5 часа семя поглотило примерно столько же воды, сколько впитало за первые полчаса опыта. Ситуация, когда высеянные семена буквально купаются в холодной воде, может возникнуть при выпадении дождя на фоне похолодания. Или когда снег, выпавший на поле, начал быстро таять.

Таблица 4. Денитрификация нитратных форм азота в зависимости от температуры почвы и периода затопления (избыточного увлажнения почвы)

Оба варианта «холодной ванны» для высеянных семян кукурузы (ледяной ливень и обильный снегопад) природа презентовала в Украине во второй декаде апреля 2017 г. Вероятно, темпы набухания семени в почве медленнее, чем в лабораторном опыте. Поглощение влаги зерновкой может оказаться более растянутым по времени и происходить не так интенсивно.

Но если семя рано или поздно оказалось набухшим, воздействие низкой температуры неизбежно приведет к негативным последствиям. Возможны различные комбинации «набухание семян + охлаждение»:

а) посев в холодную влажную почву;

б) посев в сухую холодную почву и последующее выпадение осадков;

в) посев в теплую сухую почву и выпадение холодного дождя/снега;

г) посев в теплую влажную почву и последующее резкое понижение температуры.

Рисунок 1. По данным специалистов из США точка минимума, при которой условия для кукурузы и патогенов одиниковы, наступает при прогреве почвы до +65 градусов по Фаренгейту

Выпадение обильных осадков с последующим резким понижением температуры случается и тогда, когда сев проводился в оптимальные сроки. Но вероятность продолжительного похолодания и выпадения осадков в первой-второй декаде апреля намного выше, чем в первой декаде мая.

Песчаные почвы более пористые и хуже удерживают влагу, чем тяжелые глинистые. Они легко прогреваются, но так же легко остывают. Поэтому при резком перепаде суточных температур (днем жарко - ночью холодно), характерных для континентального климата, набухшие семена могут легко «простудиться».

Днем температура песчаной почвы на нужной глубине может быть вполне пригодной для посева, то есть превышать +10-12°С. Но в ночное время и ранним утром температура почвы может опускаться на 10-15°С,то есть практически до +2-3°С. Если почва достаточно влажная и высеянные семена напитались влагой, несколько дней таких резких колебаний температуры могут проредить всходы на 20-25% (табл. 1).

Даже если семена выжили после купания в холодной воде и/или длительного пребывания в холодной влажной почве, темпы их прорастания существенно ниже, чем при посеве в хорошо прогретую почву. Метаболизм семян, пытающихся прорасти при температуре менее +8°С, заторможен. Застывшие от холода клеточные мембраны плохо справляются с транспортными функциями, нарушается работа многих белков и ферментов.

Значительную часть ресурсов семена тратят на дыхание и поддержание жизни в проростке, а не на его рост и развитие. Поэтому всходы сидят в холодной почве минимум две-три недели. Появившиеся через 3-5 недель после посева молодые растения ослаблены, легко забиваются сорняками и очень чувствительны к действию внесенных гербицидов.

Низкие положительные и невысокие отрицательные температуры действуют на проросшие семена намного гуманнее, чем на набухшие. Проросток быстро восстанавливается даже при повреждении первичного корня. Этот корень играет относительно небольшую роль для развития всходов по сравнению с латеральными (боковыми) и узловыми корнями. Если боковые и узловые корни не повреждены, молодые растения продолжают развитие.

Охлаждение поверхности почвы останавливает продвижение колеоптиля, а резкие колебания температур вызывают специфические деформации мезокотиля.

«Температурный паралач» и всходы «штопором»


Дорогу свою выбирая,

О лишних шага не жалей,

Короче – конечно, прямая,

Кривая, зато, - веселей…

Владимир Поляков


Необходимым условием быстрого появления всходов является координация действий всех частей молодого растения. Корни, мезокотиль и колеоптиль должны своевременно «вытолкнуть» колеоптиль из почвы и обеспечить развертывание первого листа. Повреждение какого-либо органа или несогласованность роста «вершков и корешков» приводит к задержке появления всходов и гибели части молодых растений (табл. 2).

Рост всходов вверх, к поверхности почвы, происходит в результате удлинения мезокотиля. Он является первым междоузлием стебля кукурузы, удлинение которого поднимает колеоптиль к поверхности почвы. Когда колеоптиль приближается к поверхности почвы, под воздействием солнечного света изменяется гормональный баланс в тканях проростка, вследствие чего останавливается удлинение мезокотиля. При благоприятных условиях появление колеоптиля над поверхностью почвы совпадает с началом выхода первого листка.

Продолжительное похолодание после начала прорастания может остановить продвижение всходов на поверхность почвы. Или вызвать преждевременное раскрытие колеоптиля - так называемый температурный паралич.

При температуре ниже +10°С ферментные системы теплолюбивых растений практически не работают, в том числе регулирующие деление клеток и контролирующие направление роста. Под воздействием холода колеоптиль раскрывается еще в почве. «Голый» зародышевый листочек не в состоянии выйти на поверхность. Наталкиваясь на частицы почвы, он изменяет направление роста и скручивается. Всходы гибнут, не дотянув до поверхности почвы буквально 1-2 см.

Значительные суточные колебания температуры при появлении всходов приводят к «штопорному» развитию мезокотиля (Buckle & Grant, 1974). Минимальные показатели температуры почвы, вызывающие этот эффект, точно не определены, но практики отмечают появление «штопорных» всходов при понижении температуры почвы в период прорастания до +7-8°С. Исследования, проводившиеся в Родезии, показали, что аномальное развитие мезокотиля кукурузы происходит при колебании суточной температуры почвы от +25°С днем до + 12°С ночью, то есть при перепаде температур более 10°С.

Причиной «штопорных» всходов некоторые исследователи считают ростовую реакцию растения на изменяющуюся температуру почвы. Направление роста отдельных частей проростка определяется градиентом температуры окружающей среды - термотропизмом. Росток «движется» в направлении тепла, то есть характеризуется положительным термотропизмом. В этом есть резон - чем ближе к поверхности почвы, тем она теплее. Стебель растения в буквальном смысле тянется к солнцу, определяя правильное направление по повышению температуры. Для корней проростка характерен отрицательный термотропизм - они продвигаются туда, где почва холоднее. Весной температура почвы уменьшается с глубиной, поэтому корни ориентируются в пространстве по изменению температуры.

Фото 6. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Фото 7. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Фото 8. Весна-2017: холод, влага, кукурузаОбильные осадки вызвали настоящий потоп на некоторых полях. После того как с затопленных полей ушла вода, стал виден реальный ущерб

Резкие колебания температуры «сбивают прицел» растению. Понижение температуры воздуха охлаждает верхний слой почвы на несколько сантиметров. При этом температура нижнего горизонта почвы оказывается выше, чем температура поверхностного слоя. Проросток дезориентируется, его корни начинают расти вверх (в направлении холода), а стебель (мезокотиль) - вниз (в сторону тепла).

При потеплении восстанавливается «нормальный» градиент температур в почве: выше - теплее, ниже - холоднее. Проросток возобновляет рост в «правильном» направлении: корень растет вниз, стебель - вверх. Но деформации сохраняются. При неоднократном резком повышении и понижении температуры проросток скручивается в подобие штопора. Такие изменения направления роста по принципу «два шага налево, два шага направо, шаг вперед и два назад» задерживают появление всходов на поверхности и напрасно расходуют питательные вещества семени.

Фото 9. Весна-2017: холод, влага, кукурузаПоверхность глинистых почв после высыхания покрылась слоем твердой корки. Она мешала поступлению воздуха в почву и преграждала путь всходам на поверхность

Фото 10. Весна-2017: холод, влага, кукурузаЕще одна проблема, оставленная "в наследство" обильными осадками, - огромные потери нитратного азота

В деформации всходов иногда «обвиняют» почвенные гербициды. Некоторые гербициды (обычно сразу вспоминают препараты ацетохлора!) в холодную влажную погоду могут «покрутить» молодые растения. При температуре менее +10-12°С растение не в состоянии обеспечить нормальный синтез ферментов, используемых для дезактивации действующего вещества гербицида, попавшего в организм. Поэтому всходы накапливают пестицид, особенно при высокой влажности почвы.

И получают отравление, типичными симптомами которого является дезориентация направления роста всходов.

Такие повреждения напоминают температурный паралич всходов. Поэтому выделить фитотоксичное действие гербицидов как самостоятельную причину деформации всходов практически невозможно. Ведь факторы, способствующие проявлению фитотоксичности (холодная погода, резкий перепад температур, переувлажненная почва), и сами способны закрутить проростки в «штопор». «Штопор» из мезокотиля/ колеоптиля может получиться, если колеоптиль встречает непробиваемую преграду, а мезокотиль продолжает рост. Причины подобной деформации - твердая почвенная корка или комки на поверхности почвы.

Почвенная корка является обычным последствием обильных осадков на тяжелых почвах, и в этом году не была редкостью. Кроме образования почвенной корки ливневые осадки породили еще две проблемы: повреждение растений на затопленных полях и огромные потери азота.

Потоп и почвенная корка


Пляж давно опустел,

Дождь идет обложной.

Лежат отпечатки тел,

Заполненные водой.

Олег Григорьев


Вместо ожидаемых с нетерпением «пары дождиков в апреле, пары дождиков в маю» в апреле-мае на юге Украины выпало почти вдвое больше среднемноголетней месячной нормы. Осадки были разные: снег, снег с дождем, дождь грибной и дождь проливной. В течение суток кое-где «накапало» до 30-35 мм влаги, и поля в степи приобрели экзотический вид затопленных рисовых чеков.

В ограниченном объеме многокомпонентной системы избыток одного элемента вызывает недостаток другого. Почва, как известно, состоит из трех фаз - твердой (минеральной), жидкой и газообразной.Воздух и вода в почве занимают пространство между частицами твердой фазы. Одно на двоих.

Влага осадков вытесняет из почвы воздух. Часть кислорода почвенного воздуха растворяется в воде, но это -очень небольшая часть кислорода, необходимого для дыхания корневой системы растений. Поэтому переувлажнение почвы приводит к угнетению роста и развития растений, а в некоторых случаях - к их гибели от удушья. Шансы посевов кукурузы уцелеть зависят от продолжительности затопления, температуры окружающей среды и расположения точки роста.

Весна-2017: холод, влага, кукурузаФото 11. Весна-2017: холод, влага, кукурузаНа плохо дренируемых почвах вода надолго задержалась в почве. Во временно возникших анаэробных условиях некоторые микроорганизмы успешно используют нитраты вместо недоступного кислорода. Нитраты трансформируются до газообразного азота. Процесс называется денитрификацией

Чем выше температура, тем меньшее количество кислорода может раствориться в воде. И тем выше потребность растений в кислороде для обеспечения дыхания. Поэтому затопленные «с головой» посевы кукурузы при температуре +6-8°С могут провести под водой без особого ущерба 3-4 дня, а при температуре +25°С погибают на следующие сутки. Если точка роста находится под водой, гипоксия может необратимо повредить апикальную меристему. До появления 6-7 листа точка роста находится ниже уровня почвы, поэтому затопление посевов до наступления этой фазы очень опасно. Проклюнувшиеся семена и всходы, находящиеся в почве, также могут погибнуть при затоплении (табл. 3).

В мае 2017 г. «жертв наводнения» на полях кукурузы было немного. Расположенные в низинах и на дне балок участки пострадали сильно, но большая часть посевов эту неприятность пережила с минимальными потерями. Уход воды с поверхности поля и подсыхание верхнего слоя почвы не решили проблемы дефицита кислорода, особенно на плотных почвах. Плотная воздухонепроницаемая почвенная корка не пропускала воздух. Если подсохшую корку не разбили своевременно ротационными мотыгами или боронами, то всходы продолжали задыхаться.

Для проростков, находящихся в почве, плотная корка является труднопреодолимым препятствием. Особенно для ослабленных. Если семена при набухании пострадали от воздействия холода, а проростки долго и упорно пытались развиваться при температуре почвы менее +10°С, то почвенная корка поставила финальную точку на попытках растений пробиться на поверхность.

Для растений, переживших холод, потоп и почвенную корку, дождливая весна 2017 г. преподнесла еще один крайне неприятный сюрприз - азотный голод.

Нитраты: растворились и смылись


За столькое приходится платить,

Покуда протекает бытие,

Что следует судьбу благодарить

За случаи, где платишь за свое.

Игорь Губерман


Первой жертвой затопления становится самая мобильная форма азота - нитратная. Основным путем потерь нитратного азота на легких (песчаных и супесчаных почвах) является выщелачивание (промывание). Растворенные в воде нитраты мигрируют с потоком воды, опускаясь все ниже и ниже по мере инфильтрации почвы водой. Если на пути влаги не оказывается препятствий типа плужной подошвы, то нитраты покидают пределы корнеобитаемого слоя и двигаются дальше. Кстати, при выращивании риса плужная подошва создается искусственно - для того, чтобы «не дать смыться» азотным удобрениям. Чем выше водопроницаемость почвы и чем хуже ее водоудерживающая способность, тем больше теряется нитратного азота от промывания. И наоборот. Инфильтрация нитратов с влагой в нижние горизонты тяжелой суглинистой почвы примерно в 4-5 раз меньше, чем на легкой песчаной при сопоставимом количестве выпавших осадков.

Но тяжелый механический состав почвы не спасает от потерь азота при затоплении, которое создает в почве анаэробную (бескислородную) среду. В такой среде микроорганизмы приступают к денитрификации азота.

Нитрификация с приставкой «де»


В моей частичке de знак чванства,

Я слышу, видят: вот беда!

«Так вы из древнего дворянства?»

Я? Нет… куда мне, господа!

Беранже


В анаэробных условиях при достаточно высокой температуре и щелочной реакции почвы создаются условия для денитрификации - преобразования микрофлорой почвы нитратов в газообразные оксиды и молекулярный азот.

Первый этап денитрификации - переход нитратов в нитриты - осуществляют бактерии, водоросли, грибы и дрожжи.

В заключительном этапе денитрификации (до молекулярного азота) участвуют только прокариоты - бактерии. Большинство из них - факультативные анаэробы, заменяющие отсутствующий в анаэробных условиях кислород нитратами.

Процесс денитрификации называют анаэробным нитратным дыханием. Нитраты в анаэробных условиях выполняют функцию акцепторов электронов, поступающих с окисляемого субстрата. Соответственно, субстрат окисляется, а нитраты восстанавливаются в последовательности: NO³‾→NO²‾→NO→N²0→N². Энергетический выход при переносе электронов к NO² и N²0 приблизительно одинаков и в сумме составляет около 70% энергетического выхода при дыхании с участием свободного кислорода. То есть нитратное дыхание на треть менее эффективно, чем традиционное, с использованием кислорода. Поэтому микрофлора почвы использует нитраты только при дефиците азота. Восстановление доступа кислорода в почву (аэрация) прекращает процесс денитрификации.

Рисунок 2. Потребность растений кукурузы в азотном питании резко возрастает после формирования шестого листа. К этому времени на многих полях практически не осталось нитратного азота

Рыхление почвы не только улучшает снабжение корневой системы растений кислородом, но также быстро прекращает «вредительскую» деятельность нитрифицирующих бактерий.

О том, что бактерия участвует в денитрификации, красноречиво свидетельствует ее «фамилия» с аристократической приставкой «де»: Thiobacillus denitrificans, Thiomicrospira denitrificans, Paracoccus denitrificans. Но есть бактерии (Pseudomonas studzeri, Pseudomonas fluorescens), «ФИО» которых не указывает на их потенциальные денитрифицирующие свойства.

Более того, известный азот-фиксатор Azospirillum lipoferum при наличии нитратов в анаэробных условиях проводит денитрификацию, а в аэробных - ассимилирует нитрат. Это вполне объяснимо. Ферменты азотного цикла (нитрогеназа азотфиксаторов, нитритоксидоредуктаза нитрификаторов, ассимиляторная и диссимиляторная нитратредуктазы) имеют общий «структурный элемент» - низкомолекулярный молибденсодержащий кофактор. Он может «переустанавливаться» микроорганизмом с одного фермента на другой, в зависимости от ситуации. Таким образом, процессы нитратредукции, азотфиксации и денитрификации взаимосвязаны и могут осуществляться одними и теми же бактериями, но в разных условиях.

На интенсивность денитрификации влияет следующее.

  1. Продолжительность анаэробного периода.
  2. Температурный режим. Скорость денитрификации увеличивается экспоненциально в интервале от +15°С до +30°С, максимальные потери нитратного азота отмечаются при температуре почвы от +23°С до +27°С.
  3. Содержание нитратов и органических веществ. Бактерии нуждаются в источнике легкодоступных органических веществ. Поэтому денитрификация интенсивно происходит на богатых органикой почвах. Запаханные растительные остатки и органические удобрения стимулируют процесс. И, конечно же, должно быть необходимое количество нитратов.
  4. рН почвы. Процесс денитрификации интенсивно происходит в щелочных почвах, в кислых почвах денитрификация очень медленная.

Для того чтобы в затопленных почвах начался интенсивный процесс денитрификации, необходимо от двух до трех дней на запуск процесса. Потери от 25 до 50% нитратного азота - вполне обычная «дань», которую аграрии платят почвенной микрофлоре (табл. 4). В США, например, средние ежегодные потери нитратного азота при выращивании кукурузы составляют 40-75 кг д. в./га за год.

Как избежать потерь нитратного азота?

Нитратная форма азота - это «быстрый» азот, поэтому ее целесообразно использовать при высоких темпах роста культуры, то есть вносить под предпосевную культивацию/посев на кукурузе поздних сроков посева. Или использовать для подкормок вегетирующей кукурузы, с заделкой в почву междурядий.

Заранее вносить большое количество нитратных форм азота под пропашные культуры - неоправданный риск потерять(более точное определение - сами знаете какое) большую часть нитратов еще до того, как культура будет готова их усвоить.

До фазы 6-го листка кукуруза не потребляет сколь-нибудь значимых (около 5%) количеств азотных удобрений. При раннем посеве (в первой декаде апреля) всходы появляются не ранее, чем через 15-18 дней. Темпы развития в условиях холодной весны замедлены (как в этом году), поэтому интервал от появления всходов до 6-8-го листка составляет около трех недель. Итого -1,5 месяца удобрения «легли и просят», пока до них доберутся корни культуры. А за это время шансы азота «промыться» и «испариться» становятся настолько большими, что практически могут считаться гарантированными. И посевы в период интенсивного роста останутся «голодными».

Денитрификация аммонийного азота


Непостоянства общего заложник,

Я сомневался даже во врагах.

Нельзя иметь единственных! Тревожник

Не просто так стоит на трех ногах.

Дмитрий Быков.


При высоком риске затопления лучше использовать аммонийную или амидную формы азота. В тех регионах, где существует риск затопления посевов, популярны КАС, карбамид, сульфат аммония. Например, при выращивании кукурузы в северо-восточной части «болотного» штата Луизиана традиционно используют гранулированную мочевину (46-0-0) или КАС (32-0-0) в качестве основного источника азота. А при выращивании риса основными источниками азота являются сульфат аммония и карбамид. Это позволяет существенно сократить, но не избежать потерь полностью. Аммиачная и амидная формы азота прочно удерживаются в почве, но в результате усилий обитающих в почве нитрифицирующих бактерий со временем превращаются в нитраты. Для этого требуется как минимум 1-2 месяца. Чем больше интервал между внесением аммонийного азота и затоплением поля, тем больше аммония успевает превратиться в нитрат (табл. 5).

Таблица 5. Преобразование аммонийного азота в нитратную форму в результате нитрификации

Для нитрификации очень важна температура почвы и наличие воздуха (аэробные условия).

Средняя скорость нитрификации при температуре почвы +14-18°С составляет около 2,5% в день, а при более высокой температуре достигает 4,5-5%.

Например, при внесении 200 кг д. в. азота/га в форме КАС (32%) за три недели до «потопа», при температуре почвы около +15°С, в нитратную форму перейдет около 120 кг д. в. азота (200 х 0,6). А при внесении того же количества азота в той же форме за неделю до затопления поля, в нитратную форму перейдет только 50 кг азота в д. в. (200 х 0,25). Сотрудниками университета штата Айова Р. Дж. Килдорном и С. Е. Тейлором была разработана компьютерная программа, прогнозирующая поведение внесенного в почву безводного аммиака. Это позволяет рассчитать процент нитрификации внесенного азота в аммиачной/ аммонийной форме при различных условиях. Например, при внесении аммонийного азота в почву в период с 1 октября по 1 ноября, по данным предварительных расчетов, к 1 мая весь азот преобразуется в нитратную форму. Использование ингибитора N-Serve существенно замедляет процесс нитрификации. Например, при внесении аммиака с ингибитором нитрификации 1 октября в почве к 1 мая сохранится около 35% азота в аммонийной форме, а при внесении удобрений 1 ноября - 50%. Из этих предварительных расчетов можно сделать вывод: чем ближе к посеву вносятся азотные удобрения, тем больше шансов их «целевого использования» культурными растениями и меньше вероятность потерь. Это правило касается и КАСа, и карбамида, и сульфата аммония.

Прогноз потерь


Кабы знать, кладя фундамент,

Чьё на башне будет знамя…

Станислав Ежи Лец


Для прогнозирования потерь необходимо учитывать факторы, влияющие на скорость трансформации аммонийной формы азота в нитратную. Кроме того, необходима информация для определения потерь нитратного азота от промывания и денитрификации. То есть необходимо знать, какое количество азотных удобрений, в какой именно форме и когда было внесено на поле. Сколько времени прошло от внесения удобрений до затопления поля и какая в этот период была температура воздуха. А также знать, на протяжении какого времени почва находилась в анаэробном состоянии и при какой температуре воздуха. Алгоритм расчетов не отличается сложностью.

Пример №1. Под предпосевную культивацию внесли 350 л КаС, то есть 100 кг азота д. в./га. Через 10 дней после посева выпали обильные осадки, затопившие поле на 2 дня. Температура почвы в этот период была около +17°С. Сколько было потеряно?

Решение. При затоплении теряется азот в нитратной форме. Поэтому 25% азота КАС, то есть та часть, которая находится в нитратной форме, гарантированно теряется. Кроме того, утрачивается часть азота, который образовался в результате нитрификации аммонийного и амидного азота. Процесс нитрификации продолжался 10 дней, за день нитрификации подвергалось примерно 2,5% аммонийного азота. Таким образом, потери азота составят:

(0,25 х 100 кг д. в. М/га) + (10 дней х 0,025 х 75 кг д. в. М/га) =25 + 18,75 = 43,75 кг д. в. М/га.

То есть при заданных условиях ожидаются потери более 40% от внесенного с удобрением азота.

Пример №2. Под предпосевную культивацию внесли 175 кг д. в. N/га в форме карбамида. Почва плохо дренированная. Через три недели после внесения удобрения поле было затоплено на протяжении 7 дней. Сколько азота было потеряно?

Решение. Определяем количество азота в форме нитрата. Согласно таблице, 50% мочевины будут в форме NO3N. Через три недели после внесения карбамида 50% азота перешло в нитратную форму. То есть 175 кг д. в. N х 50% ~ 88 кг д. в. N.

Чтобы бактерии начали процесс денитрификации, необходимо минимум 2 дня. Поэтому денитрификация происходила в течение 5 дней, каждый день терялось 4% нитратного азота. То есть за 5 дней потеряно 20% от общего количества азота в нитратной форме. Это составило 88 х 20% ~ 18 кг д. в. N потеряно. При этом в почве осталось 157 кг азота в д. в. Кукуруза после такого продолжительного пребывания в затопленном состоянии, скорее всего, погибла бы. Подобная методика оценки потерь азота не претендует на точность, но дает хотя бы приблизительное представление об ущербе.

Для получения точных данных о наличии азота, необходимо провести анализ почвы.

Фото 12. Весна-2017: холод, влага, кукуруза

Фото 13. Весна-2017: холод, влага, кукурузаО том, как влияет дефицит азота на развитие кукурузы, можно рассказывать очень долго. Но можно сделать проще - сравнить растения на верхнем и нижнем фото

В почве достаточно доступного для растений азота, если она содержит более 25 ppm нитратного азота. В такой ситуации проведение подкормок не является жизненно необходимым.

Если содержание нитратного азота составляет от 11 до 25 ppm (частей на миллион), то целесообразно проведение подкормки азотными удобрениями в норме 30-100 кг д. в. N/га.

Если уровень нитратного азота в почве находится в интервале 18-11 ppm, то необходимо вносить как минимум 50-70 кг д. в. N/га. При более высоком содержании нитратов можно обойтись внесением 30-40 кг д. в. N/га.

Если содержание нитратов составляет менее 11 частей на миллион, целесообразно внести в виде подкормки от 100 до 150 кг д. в. N/га.

Компенсация потерь: чем, когда и как


Надежды у нас смутные, а опасения четкие.

Поль Валери


Кукуруза до стадии V6 потребляет примерно 5% азота от общей сезонной необходимости. Но от стадии V6 до VT (появление метелки) у кукурузы «появляется аппетит», и она за месяц поглощает примерно 60% от сезонной нормы азота. То есть примерно 100-120 кг д. в.N/га. Период быстрого роста культуры продолжается около месяца, и если на протяжении этого периода кукуруза останется недокормленной, то на высокий урожай можно даже не надеяться.

Потери азота от промывания и денитрификации могут достигать 30-50%. После затопления поля кукуруза остается на урезанном, половинном пайке азота.

Может ли подкормка компенсировать потерянный азот? По данным американских исследователей, дефицит азота в фазу V6 удавалось компенсировать подкормкой до фазы R1.

Без уменьшения урожайности дефицит азота удается компенсировать при внесении азотных удобрений до стадии роста V11. Применение азотных удобрений в фазу от V12 до V16 приводит к незначительному снижению урожайности по сравнению с вариантом, где весь азот вносился при посеве и не был потерян.

Лучшие результаты обеспечивало внесение разбрасывателем карбамида, обработанного ингибитором уреазы. При быстром подсыхании поверхности поля на легких, хорошо дренированных почвах целесообразно внесение аммиачной селитры в междурядья при высоте растений около 30 см.

Фото 14. Весна-2017: холод, влага, кукурузаПри ранних сроках посева любая мелочь может иметь ощутимые последствия. Например, излишне глубокая заделка семян в тяжелую глинистую почву. Глубже 5 см семена зеделывать не стоит, а в некоторых ситуациях можно уменьшить глубину посева до 2,5-3 см

Тяжелые почвы после выпадения осадков остаются влажными на протяжении длительного времени. Внесение минеральных удобрений с заделкой в междурядья в таких условиях нецелесообразно: вовремя - невозможно, а поздно - напрасные траты.

Если почва слишком влажная для внесения минеральных удобрений в междурядья, а кукуруза остро нуждается в азоте, то придется делать выбор между поверхностным внесением гранулированного сульфата аммония (21-0-0-24) или мочевины (46-0-0).

В пересчете на стоимость 1 кг д. в. азота мочевина дешевле, чем сульфат аммония. Однако газообразные потери азота (в виде аммиака) из карбамида могут достигать 20-30%, а сульфат аммония более стабилен. Мочевина, внесенная на сухую почву, начинает постепенно улетучиваться. Скорость испарения достигает максимума примерно через три дня после внесения и зависит от типа почвы и ее влажности. Как правило, на щелочных почвах газообразные потери азота выше, чем в кислых. Небольшой дождь, растворяющий гранулы карбамида и способствующий проникновению удобрения к корневой системе, существенно повышает эффективность подкормки.

Потери азота при поверхностном внесении мочевины можно сократить за счет обработки гранулированной мочевины ингибитором уреазы NBPT или NPPT). Он временно замедляет трансформацию микроорганизмами мочевины в аммонийную форму (гидролиз мочевины) и поэтому сокращает потери от улетучивания аммиака (конверсия амидной формы азота в газообразный аммиак). Ингибиторы уреазы уменьшают потери аммиака в течение 10 дней при внесении на сухую почву. При внесении на влажную почву время защитного действия сокращается вдвое (максимум до 5 дней), а при попадании карбамида в воду ингибиторы уреазы теряют свои свойства.

Ингибиторы нитрификации (действующие вещества нитрапирин или DCD) временно препятствуют процессу нитрификации. Исследования на северо-востоке Луизианы показали, что ингибиторы нитрификации останавливают этот процесс на 10-30 дней, в зависимости от почвенно-климатических условий.

При внесении карбамида лучше подождать, пока поверхность почвы подсохнет. Карбамид, обработанный ингибитором уреазы, можно внести на влажную поверхность почвы без значительных потерь азота в течение нескольких дней (табл. 6).

Таблица 6. Влияние затопления (переувлажнения почвы) на доступность элементов питания для растений

Рекомендации по азотному питанию кукурузы при высокой вероятности затопления/ переувлажнения


На самом деле правды нет.

Мы правы – я, и ты, и он,

И всяк виновних наших бед,

Которым имя легион.

Дмитрий Быков


  1. Вносить удобрения, содержащие преимущественно аммонийный или амидный азот. То есть использовать безводный аммиак, аммиачную воду, карбамид, сульфат аммония или КАС.
  2. Вносить удобрения непосредственно перед посевом для исключения нитрификации аммонийного азота и его преобразования в мобильную нитратную форму.
  3. При высокой вероятности обильных осадков после посева заранее планировать дробное внесение азотных удобрений. При использовании нитратных удобрений (аммиачной или кальциевой селитры) их целесообразно вносить в междурядья вегетирующей кукурузы до формирования на растениях 6 листьев.
  4. При затоплении или переувлажнении поля необходимо оценить потери азота в зависимости от сложившихся условий (продолжительность периода переувлажнения, температура почвы и воздуха, степень дренирования почвы), а также количества и формы внесенного в минеральных удобрениях азота.
  5. При необходимости срочно компенсировать дефицит азота целесообразно провести поверхностную подкормку разбрасывателем. Можно использовать гранулированный сульфат аммония или карбамид. При внесении карбамида на влажную почву оправдано использование ингибиторов уреазы.
  6. На быстро высыхающих полях целесообразно компенсировать потерянный азот за счет внесения в междурядья КАС или аммиачной селитры.

Если рано, то как?


Дороже всего люди расплачиваются за то, что пренебрегают прописными истинами.

Фридрих Ницше


В агрономии нет универсальных правильных решений, поэтому безошибочное решение - всегда конкретное, основанное на оценке ситуации, возможностей и рисков. Точно так же и просчеты - тоже конкретные.

Но отдельные ошибки вполне можно назвать общими.

Рисунок 3. График прогревания почвы

Наиболее типичными оплошностями при проведении раннего посева кукурузы были следующие.

  1. Использование для раннего сева гибридов кукурузы, не обладающих достаточной холодоустойчивостью. По каким причинам некоторые аграрии пошли на неоправданный риск - их личное дело. Но тот факт, что нормальная для холодоустойчивого гибрида температура почвы +7-8°С является экстремальной для гибрида теплолюбивого, объясняет абсолютно разные результаты на смежных полях.
  1. Ранний посев в низинах и балках. Особенности рельефа усугубляют действие низкой температуры и выпавших осадков.
  2. Ранний посев в плохо прогретую глинистую почву. Тепловая инерция плотной почвы сохранила холод зимы и «подзарядилась» холодом при похолодании в апреле.
  3. Попытка сеять по No-till или Strip-till на суглинках. Растительные остатки на поверхности почвы препятствовали прогреву верхнего слоя почвы солнечными лучами и сохраняли влагу. При посеве в оптимальные или поздние сроки эта особенность прикрытой почвы полезна, но при экстремально низкой температуре воздуха в апреле - начале мая усугубила эффект холодового шока.
  4. Внесение основной части азотных удобрений под основную обработку почвы или под культивацию. Длительный интервал времени между внесением удобрений и интенсивным поглощением азота посевами кукурузы спровоцировал большие потери азота. Нитратный азот был полностью утрачен в результате промывания осадками и денитрификации в переувлажненной почве. Длительный интервал привел также к потерям аммонийного азота через нитрификацию и последующее промывание.
  5. Внесение в качестве основного азотного удобрения до (или во время) посева аммиачной селитры. Потери азота из этого вида удобрения оказались максимальны из-за преобладания нитратной формы в его составе.
  6. Недооценка роли стартовых фосфорных удобрений. Корневая система молодых растений кукурузы не в состоянии обеспечить потребности растения в фосфоре при низкой (менее +14°С) температуре почвы. Внесение стартовых удобрений в рядок, применение микрогранул и препаратов для обработки семян позволяет сгладить проблему за счет обеспечения непосредственного контакта корней с источником фосфатов. Фосфор положительно влияет на холодоустойчивость растений. 

Уменьшить риски при раннем посеве можно при:

1) использовании семян холодоустойчивых (только холодоустойчивых!) гибридов;

2) внесении стартовых фосфорных удобрений при посеве;

3) внесении до посева или при посеве не более 1/3 расчетного количества азотных удобрений (азотные удобрения вносить в аммонийной и/или амидной форме; на нейтральных или слабощелочных почвах можно использовать сульфат аммония; универсальные удобрения - КАС и карбамид; оставшееся количество азота целесообразно вносить в междурядья, начиная с фазы V6);

4) отказе от неоправданно раннего посева на тяжелых глинистых почвах (крайне нежелателен посев на таких почвах по технологиям, сохраняющим растительные остатки на поверхности; целесообразно перенести посев на таких полях на более поздние сроки);

5) учете риска возвратных заморозков для конкретной местности и анализе многолетних метеорологических данных.

В случае сомнений стоит вспомнить совет Октавиана Августа: «Лучше сделать поудачней, чем затеять побыстрей».

 

Александр Гончаров