Разработка системы минерального питания – дело слишком важное, особенно в условиях финансового кризиса. Отечественная агрохимическая школа разработала ряд методик, согласно которым можно рассчитать нужные дозы туков, учитывая вынос той или иной культурой установленного количества элементов питания, а также минерализацию побочной продукции и процессов нитрификации(Опубликовано в № 08.2010 г.)

Это так называемый балансовый метод, достаточно понятный и несложный для использования агрономом, который имеет соответствующие знания. Для более продвинутых специалистов методика легко поддается компьютеризации в форме Excel-таблицы: задаешь исходные данные относительно поля и культуры, а также потенциал урожайности – и получаешь нормы вносимых удобрений. И все бы ничего, если бы не частые сбои такой методики и отсутствие корреляции между дозами, внесенными согласно расчетам, и полученным урожаем. Причем несоответствие наблюдаются и в одну, и в другую сторону. На практике очень часто для формирования 7 т/га озимой пшеницы вместо необходимых N140P120K160 элементов питания вносят лишь по 2 ц аммиачной селитры (64 кг азота) – и получают урожай на уровне более 7 т с гектара. Согласно расчетам по балансовому методу, для того чтобы получить кукурузы 12 т/га, нужно внести аж 270 кг азота в активной форме. Но на практике такой урожай легко получается при внесении всего 160-180 кг азота. Примеры можно продолжить. Но и приведенных достаточно, чтобы понять, что балансовый метод не отображает закономерностей при планировании урожая на уровне, превышающем средние данные за последние годы.
Все дело в том, что упомянутая методика применялась к модели почвы, которая с точки зрения плодородия представлялась линейной зависимостью, то есть предполагалось, что увеличение аргумента (доз минеральных удобрений) прямо пропорционально росту значения функции (урожайности). Ошибка заключается в том, что почва, по определению В.И. Вернадского, не является неживым субстратом, а представляет собой биокосное тело со всеми признаками живой субстанции и присущим ей метаболизмом.
Для нас является важным следующий вывод из этой новой концепции относительно почвы как модели для математических расчетов: почве как живому веществу присущ нелинейный характер отклика на те или иные изменения входных параметров. В зависимости от состояния почвы это будут зависимости 2-го порядка (парабола), 3-го порядка (гипербола) или даже 4-го порядка (спираль Архимеда).
Переходя к новой методике расчета доз минеральных удобрений, будем рассматривать почву как живую систему и метаморфозы, которые с ней могут происходить и в действительности происходят. Не перечисляя огромное количество точек зрения относительно процессов, которые происходят в плодородной части земной поверхности, обобщим наиболее прогрессивные, построенные на современных научных парадигмах, в частности на теории детерминированного хаоса и структурализма.
Выводы относительно почвообразовательных процессов, сделанные на основе вышеприведенных теорий, следующие: плодородие почвы является результатом метаморфоз ее тонкой структуры, которая под воздействием разных факторов меняет уровни возбуждения. Зависимость простая: чем выше уровень возбуждения, тем выше плодородие. Под тонкой структурой почвы следует понимать не атомный или молекулярный ее состав, а способ организации частиц пылевой фракции, размер которых составляет несколько сотен нанометров. Эти частицы называют еще коллоидами.
Минеральной основой почвы является продукт разрушения горной породы, то есть смесь частиц минералов разного рода. Разрушение горной породы происходит в результате выветривания. Как свидетельствуют многочисленные исследования, этот процесс протекает путем постепенного заселения горной породы лишайниками и выделений вследствие жизненных процессов метаболитов. Именно эти метаболиты, слабо подкисляя породу, разрушают кристаллические решетки минералов и вызывают их распад. Остальное довершают ветер, талые воды, процессы, которые происходят в мантии земли, и связанные с ними перемещения горизонтов. Минеральные частицы разного происхождения, а значит разного рода, перемешиваясь между собой, вступают во взаимные связи, образовывая твердый коллоидный раствор, выстраивая в пространстве кристаллическую решетку определенной конфигурации.
Сложность последней зависит от размеров минеральных частиц, их многообразия (или гетерогенности), уровня рH, температуры и целого ряда других, менее важных факторов. Кристаллическое строение твердых растворов имеет ту особенность, что образуются не монокристаллы, а мозаика кристаллитных зерен разного размера и конфигурации. Чем мельче кристаллитные зерна, тем сильнее выражены анизотропные свойства твердого раствора. Другой особенностью твердо растворимых кристаллитов является их свойство к полиморфным превращениям и образованию конформаций кристаллической решетки. Согласно Второму началу термодинамики, система, производя поиск наиболее энергетически выгодного состояния, стимулирует к такого рода превращениям. Именно в конформациях кристаллитов проявляются ценные свойства системы, такие как ускорение движения биогенных атомов, эффект памяти и другие. Метаболизм кристаллитов обусловливается в первую очередь движением дислокаций (то есть нарушениями в решетках) и межкристаллического пространства (движение дислокаций на порядок быстрее диффузионного перенесения атомов). Чем более напряженной является кристаллическая решетка в результате происходящих в ней полиморфных превращений, тем больше образуется дислокаций, тем быстрее и больше переносится биогенных атомов. В конечном итоге это прямо влияет на процессы, связанные с переносом элементов питания к растению, а значит, с продуктивными и урожайными свойствами растения.

Мы уже упоминали, что фазовые переходы происходят под воздействием внешнего силового поля. Это силовое поле должно быть трехмерным (или объемным), именно при таком силовом действии результирующий вектор будет направлен ортогонально к коллоидному кристаллиту и будет обусловливать в последнем превращения по сдвиговому механизму. Такой тип силового поля в коллоидных кристаллитах почвы возникает, в частности, при пахоте.
Все дело в винтовой или полувинтовой форме отвала плуга. Последнее обстоятельство показывает, что возможна разработка рабочих органов для минимального и нулевого возделывания почвы. Эти органы должны создавать объемные напряженные состояния в обрабатываемом слое. Неплохо в этом отношении проявляют себя чизельные плуги с полувинтовыми рабочими органами, а также плоскорезные лапы, полулезвия которых изготовлены по полувинтовой матрице. При движении такого плоскореза обрабатываемая земля поднимает заметную волну, которая так или иначе стимулирует фазовые превращения в коллоидных кристаллитах.
Не менее интересные эффекты происходят в межкристаллическом пространстве. Это реактивная зона, где сталкиваются реагирующие компоненты, такие как мертвое органическое вещество, вода, кислород воздуха, температура и давление. И эти реакции действительно происходят. Чем мельче кристаллиты, тем больше поверхность для окислительных реакций, тем больше минералов образуется, тем больше они привлекаются к метаболическим процессам внутри кристаллитов, тем более возбужденными и способными к акцепции корневой системой растений они становятся. Будучи выделенными ими как утилиты в межкристаллическое пространство, возбужденные минералы попадают в почвенный раствор, который находится в жидкокристаллическом состоянии, и уже в коллоидном почвенном растворе попадают в ризосферу растений, а затем, в результате обменных реакций, поступают в растительную ксилему. Концентрация минералов и их возбужденное состояние влияют на скорость обменных реакций и количество питательных веществ, которые поступили в растительные клетки, а значит на продуктивность растений.
Приведенный механизм реализации плодородия почвы является новым для отечественных ученых, поскольку строится не на химизме тех или иных процессов, а на структурных подходах, когда структура предоминирует, является первичной, именно ее свойства и состояние возбужденности вызывают протекание тех или иных метаболических процессов, а также химических реакций в граничных областях структурных компонентов. Структура – это, собственно, и есть жизненная субстанция, которая благодаря своему строению и сложным отношениям является негенотропийной, то есть стойкой к сжиганию в химических реакциях. Химические реакции будто поставлены на службу структурной организации, они дозируются и направляются первыми. Именно благодаря такой организации природы мы имеем сложные органические или биологические образования, а понимание такой организации проливает свет на жизненные процессы, в нашем случае – на характер и способ образования плодородия почвы и ее проявления в урожайности культурных растений.
Предварительные выводы: балансовый метод расчета доз минеральных удобрений не отображает объективную картину при планировании урожая на уровне, большем, чем среднестатистический. Для урожаев с показателями 100 ц/га и более следует использовать нелинейные модели расчета. В настоящее время нелинейные модели создаются для описания сложных процессов в металлургии и медицине, в других наукоемких отраслях. В этой статье мы хотели бы призвать специалистов по математическому моделированию к более активной работе по созданию соответствующих нелинейных моделей и для сельского хозяйства, в частности, для определения доз минеральных удобрений.

 

Александр Бовсуновский, руководитель департамента агротехнологий
компании АМАКО, кандидат с.-г. культур
Сергей Черный,
продукт-менеджер