Минеральное питание растений

Основанием для рождения новой теории организации природы – синергетики, за которую ее автору, Илье Пригожину…

Авторы:
Александр Бовсуновский, руководитель департамента агротехнологий компании АМАКО
Сергей Черный,  руководитель проектов департамента агротехнологий компании АМАКО

Основанием для рождения новой теории организации природы – синергетики, за которую ее автору, Илье Пригожину, было присуждено звание лауреата Нобелевской премии, стало исследование явлений, возникающих в сложных веществах в состоянии сильной неуравновешенности

Суть новой теории заключается в следующем: сложные среды, насыщенные разного рода элементами и находящиеся в состоянии сильной неуравновешенности, способны эволюционировать в сторону осложнения организации, благодаря поглощению внешней к данной системе энергии с выделением метаболитов. Иными словами, сложные среды из хаотичного состояния спонтанно переходят в качественно новое, упорядоченное состояние, способное не только к самоподдержанию, но и к самовоспроизведению, а при определенных условиях – к новому усовершенствованию. Лимитом процесса является исчерпывание неуравновешенности среды.

Уравновешенные системы – мертвые, у них один путь: к упрощению, т.е. разрушению. Наиболее неоднородной неуравновешенной средой в биосфере является зародышевая плазма. Именно она способна к структурным преобразованиям, ведущим к развитию организма и эволюции всего живого. Меньше всего неуравновешенности у морских кораллов: после отмирания они превращаются в песок, формируя золотые пляжи океанических берегов.

Какое все это имеет отношение к минеральному питанию? Рассмотрим, как происходит усвоение элементов минерального питания, которые вводятся в почву: активно, с высокой скоростью, определяя ускоренную вегетацию растений, с большим уровнем продуктивности или эти процессы протекают вяло, с большими потерями неиспользованных элементов, которые, в конце концов, смываются почвенными водами или загрязняют источники и реки. Возьмем минеральное питание, реализующееся с внесением гранулированных туков. Остановимся на аммиачной селитре, аммиачной воде, суперфосфате, карбамиде, калийной соли, т.е. на основных удобрениях или их смесях, доля которых составляет, по меньшей мере, 80%.

Преимущества пахотного слоя

Почвы стали своеобразным отражением неоднородности планеты по темпам и характеру геологических процессов, а также по климатическим условиям: в одном регионе они максимально плодородны (черноземы Полтавщины), в другом отмечается полное отсутствие плодородия (пески пустыни Сахары). Ценнейшей частью почвы является ее верхний слой, который вследствие возделывания получил название пахотного. В разных видах почв его глубина варьирует от 20-25 см (в дерново-подзолистых) до 40-50 см (в типичных или южных черноземах). В чем же преимущество пахотного слоя перед нижними слоями почвы, ведь он имеет с ними общую историю, на его формирование влияли такие же факторы, кроме одного. Этот слой формировался в условиях прямого контакта с атмосферой, а потому стал выполнять чрезвычайно важную функцию особой естественной мембраны (биогеомембраны). Будучи чрезвычайно тонкой в масштабах биосферы, биогеомембрана отличается значительно большим насыщением микро- и макроэлементами, воздухом и, что самое важное, микро- и макроорганизмами (почвенной биотой), продукты жизнедеятельности которых служат ферментами для биохимических реакций, определяющих расщепление органо-минеральных остатков и их усвоение корневой системой культурных растений. Эта насыщенность поверхностного слоя и вызывает в нем грандиозные преобразования, обуславливающие формирование гумуса, как особой биохимической составляющей, которая структурно организована в коллоидные комплексы. Последние выявляют интересные эффекты, которые следует рассмотреть отдельно.

Почвенные коллоиды

Строение почвенных коллоидов напоминает строение атома – есть ядро и несколько орбиталей, внешняя из которых наиболее ценная с точки зрения плодородия: в силу ее отдаленности от ядра связи с ним самые слабые. На внешней орбитали находятся наиболее подвижные ионы атомов водорода, алюминия, железа (дерново-подзолистые, лесные и другие почвы Полесья); кальция, калия, аммония, магния (черноземы, типичные для Лесостепи); кальция, калия, аммония, натрия (черноземы обычные, южные и каштановые почвы Степи), которые в результате обменных реакций могут заменяться на другие ионы (в основном из удобрений, почвенного раствора, корневых выделений растений). Это и есть основной механизм поступления элементов питания к растению. Ведь главная функция коллоида – медиативная (посредническая). За счет его особенного структурного строения происходит расщепление органо-минерального вещества верхнего слоя почвы до фрагментов, способных вызывать обменные реакции, в результате которых происходит усвоение элементов питания корневой системой растений. Гумус, а, следовательно, и коллоид, сконцентрирован в пылевой фракции почвы, распределенной по всему слою, а это дает возможность повсеместного (в пределах пахотного слоя) протекания вышеупомянутых реакций. Коллоиды пылевой фракции активны в почвенном растворе, который находится в жидкокристаллическом состоянии, что провоцирует в них изменение конформационных состояний. Последнее приводит к изменениям химической активности и проявлению разных валентностей. Этот сложный конгломерат имеет другое название – почвенный поглощающий комплекс (ППК). Именно в среде ППК в результате протекания обменных реакций происходит усвоение элементов питания. Частички удобрений, попадая в почву, вступают с ней в непосредственное взаимодействие. Здесь они могут прикрепляться к почвенным коллоидам, находиться в почвенном растворе, потребляясь растениями или становясь недоступными для них вследствие взаимодействия с другими ионами, имеющимися в почве, или проходить ряд преобразований, чтобы стать доступными для растений.

Действие аммиачной селитры

Лишь две формы азота доступны для растений: аммоний и нитрат. Причем, последний потребляется в львиной доле. Отметим, что последние исследования американских ученых показали, что растения потребляют в микроскопических дозах еще одну форму азота – амидную, представленную таким удобрением, как мочевина. Механизм действия аммиачной селитры непосредственно связан с ее химической формулой (NH₄NO₃, N34%). Гранула аммиачной селитры, попадая в почву и смешиваясь с почвенной влагой, распадается и превращается в два иона. Положительный ион аммония (NH4⁺) прикрепляется к почвенно-поглощающему комплексу, меняясь местом с ионом, который присутствовал на внешней орбитали мицеллы (коллоида), или, забирая на себя гидроксильный ион (ВОН-) из почвенной влаги, превращается в аммиачную воду и находится в состоянии гомеостаза (равновесия) с почвенной средой.

При наступлении благоприятных условий окружающей среды (нейтральном показателе рН, температуре почвы 22-25 °С и достаточном насыщении воздухом почвы) стартует процесс нитрификации – преобразования иона аммония в нитрат при участии автотрофных аэробных бактерий-нитрификаторов.

Отрицательный ион (NO₃^–) или нитрат не прикрепляется к ППК, оставаясь в почвенном растворе. Благодаря этому он более доступен для растений и усваивается корнями в количестве, необходимом растению в той или другой фазе вегетации. Механизм поступления нитратов к корневой системе растений построен на основе обмена с ионами гидрокарбонатов, которые выделяются растениями. Длительность процесса нитрофикации повышает концентрацию иона аммония в почвенном растворе, поэтому при применении аммиачной селитры следует предусмотреть мероприятия по раскислению почвы, например, добавляя известь.

Факторы, уменьшающие эффективность нитрата

Из-за высокой подвижности нитрата существует опасность его вымывания в нижние слои почвы, где он становится недоступным для растений. Существенно уменьшает эффективность нитрата и его превращение в молекулу газообразного азота или оксида, который выделяется в воздух. Это обратный процесс нитрификации. Осуществляется при участии анаэробных бактерий, отбирающих для своей жизнедеятельности кислород из нитрата, когда насыщенность кислородом почвы во время вегетации снижается (корка, частое выпадение осадков). Поэтому аммиачную селитру рекомендуется вносить в периоды наиболее интенсивного развития сельскохозяйственных культур. Для яровых это предпосевная культивация и подкормки на протяжении вегетации; для озимых – применение в осенний период во время основного возделывания почвы для разложения растительных остатков (соломы) в предпосевную культивацию или при посеве в небольших количествах для ускорения стартового развития растений и подкормке весной, во время возобновления вегетации. Не рекомендуется применять аммиачную селитру в больших количествах при осеннем удобрении культур, особенно на почвах с легким гранулометрическим составом (супески, легкие суглинки) из-за смывания нитрата в нижние слои почвы.

Среди существующих удобрений, содержащих в своем составе азот, имеются такие, у которых стоимость действующего вещества азота в перерасчете на стоимость удобрения наиболее низкая. Это безводный аммиак (N 81%) и водный раствор аммиака или аммиачная вода (18-21%), на которой стоит остановиться более детально.

Аммиачная вода

В почве из аммиачной воды высвобождается ион аммония. Минимальное количество его усваивается на начальных этапах развития, остальная часть при оптимальных условиях превращается в нитрат (процесс описан на примере аммиачной селитры). При внесении иона аммония в форме жидкости (аммиачная вода) и твердом виде (аммиачная селитра) преимущество остается за жидкой формой, благодаря более быстрому и надежному поглощению ее почвой.

В связи с тем, что аммиачная вода обладает высокой летучестью, она нуждается в специальной технике для перевозки с завода в поле и внесения в почву. Оптимальная температура для внесения в почву аммиачной воды 5-8 °С с глубиной внесения и заделки 12-14 см – для черноземов и 14-20 cм – для почв с легким гранулометрическим составом. При четком и строгом соблюдении правильной технологии внесения в почву данного удобрения, его эффективность будет наиболее высокой.

Аммиачную воду следует вносить поздно осенью после основной обработки почвы или рано весной, когда температура воздуха не перешла рубеж в 10 °С.

Мочевина

Представитель амидной формы азота – мочевина (карбамид, CO(NH₂)₂) имеет самое высокое содержание азота (N 46%) среди твердых азотных удобрений, а также наименьшую скорость действия и наиболее сложный путь преобразований, позволяющий стать доступней для растений. В почве под действием уробактерий, выделяющих фермент уреазу, мочевина быстро аммонифицируется и превращается в карбонат аммония. Аммонийная форма азота поглощается почвенным комплексом, что исключает потери азота и способствует рациональному его использованию растением: CO(NH₂)₂ + 2H₂O = (NH₄)₂CO₃. Сначала мочевина ведет себя как слабощелочное удобрение, поэтому она эффективна на кислых и слабокислых почвах. Часть аммония во время вегетации может подвергаться нитрификации, вследствие чего образуется незначительное количество нитратного азота, который легко поглощается растениями. При таких условиях реакция почвенного раствора изменяется и происходит незначительное биологическое подкисление.

После усвоения растениями всего азота из мочевины в почве не остается ни кислых, ни щелочных остатков и реакция почвенного раствора не изменяется. Доказано, что органическая форма азота мочевины может частично усваиваться растениями без предварительного преобразования в другие формы.

Другим способом применения мочевины является внекорневая подкормка, поскольку молекулы удобрения, попадая в клетки через листовую поверхность, активно включаются в биохимическую цепь круговорота азота в растении в отличие от превращений мочевины, внесенной в почву.

Мочевину можно применять на всех типах почв под все культуры. Это лучшее удобрение для внекорневой подкормки озимых и яровых зерновых культур. Внесение раствора мочевины даже в повышенных концентрациях (1-5%), в отличие от других азотных удобрений, не вызывает ожогов у растений и способствует повышению содержания белка и клейковины в зерне.

Суперфосфат

Наиболее распространенным среди фосфорных удобрений является суперфосфат. Это удобрение содержит в своем составе 18-21% Р₂О₅.

Высокоэффективный и быстродейству

ющий суперфосфат содержит водорастворимую в почве форму фосфора, который всегда доступен для растений. В отличие от ионов аммония и калия, ион фосфорной кислоты имеет отрицательный заряд и не может прикрепляться к почвенному поглощающему комплексу, всегда оставаясь в почвенном растворе. Важным его свойством является низкая подвижность в почве, а это означает, что 80% суперфосфата будет локализоваться на глубине его заделки. Ионы фосфора усваиваются растением в основном наименьшими корешками вследствие обменной реакции на соответствующие ионы гидрокарбонатов. Кроме того, в суперфосфате всегда присутствуют кальций и сера, которые также потребляются растением.

Главные этапы использования суперфосфата: основная обработка почвы, предпосевное удобрение и подкормки на протяжении вегетации. Не рекомендуется применять суперфосфат под основную обработку на почвах, содержащих большое количество железа и алюминия. Находясь в почвенном растворе, они связываются с фосфором, переводя его в нерастворимую, а, следовательно, недоступную для растений форму.

Калийная соль

Последним из классических макроэлементов является калий, а наиболее распространенным калийным удобрением – калийная соль (KCl). Это удобрение содержит в своем составе два элемента: калий и хлор. Ион калия является положительным и усваивается растением из почвенного раствора, а прикрепившись к ППК, становится доступным для растения. Кроме того, он – подвижный элемент почвы, который может опускаться в ее нижние слои. Ион хлора отрицательно заряжен, поэтому физически не может прикрепляться к почвенно-поглощающему комплексу, находясь в растворе. С другой стороны, общеизвестна вредность хлора для большинства культур и его высокая миграционная способность в нижние слои почвы.

Наиболее рационально применять калийную соль под основную обработку почвы, когда калий оказывается на нужной для культуры глубине (15-27 см) и прикрепляется к наименьшим частичкам почвы (мицелам), а хлор к посеву следующей культуры почти полностью вымывается из пахотного и подпахотного слоев.

Калийная соль всегда была и будет самым дешевым источником калия для почвы.

Правильное и своевременное минеральное питание является одним из важнейших звеньев технологии выращивания полевых культур, эффективность которого невозможна без оптимальной системы возделывания почвы, хорошего посевного материала, комплекса техники, системы защиты и т.п. Агрофитоценозы – открытая термодинамическая система, предпосылкой для функционирования и развития которой является активный метаболизм с окружающей средой. Их развитие подчиняется закону сохранения энергии, что означает возобновление ресурсов, использованных растением для формирования урожая. И если содержание углеродного газа в атмосфере и осадки зависят от естественных факторов, то пополнение содержания питательных элементов в почве – задача человека, хозяйствующего на земле.

(Опубликовано в №08, 2008 г.)