Осеннее внесение жидких азотных удобрений в аммонийной форме позволяет повысить эффективность использования азота, предотвратить нецелевые потери элемента

Перспективным решением в совершенствовании систем питания посевов озимой пшеницы является осеннее внесение жидких азотных удобрений в аммонийной форме (безводный аммиак и аммиачная вода) на глубину корневой системы культуры. Это позволяет повысить эффективность использования азота, предотвратить нецелевые потери элемента.

Сегодня перед мировым сообществом стоят задачи интенсификации производства растительной продукции на посевах, что обусловлено ростом населения и сокращением посевных площадей. Злаковые культуры являются выраженными азотофилами и используют для формирования урожая значительные количества азота. Практически невозможно поддерживать плодородие почв на высоком уровне только благодаря естественным процессам азотфиксации. Для пополнения запасов элемента широко применяются азотные удобрения, что требует значительных затрат средств и энергии. Из энергии, которая необходима для производства основных элементов питания (NPK), 87% используется на синтез аммиака. В настоящее время, если производители зерна откажутся от использования азотных удобрений, на протяжении нескольких лет объемы сельскохозяйственного производства упадут настолько, что ряд стран, которые сегодня импортируют большие количества продукции, едва смогут обеспечить свои собственные потребности.

По данным ФАО, в мире используется около 100 млн т азотных удобрений, а на производство зерновых идет 60% от суммарного количества использованного азота. Поэтому при условии повышения эффективности использования азота хотя бы на 1% ежегодно можно экономить около $250 млн. Эффективность использования азота в мире в посевах зерновых достаточно низкая – около 33%. Это обусловлено сложными вопросами выбора систем питания азотом. На азот приходится лишь 1-3% сухой массы растений, но несмотря на это, при недостаточном содержании азота в почве нормальный рост и развитие зерновых культур невозможно.


В развитых странах фермеры часто, желая перестраховаться, вносят избыточное количество удобрений под посевы, которые и так хорошо обеспечены азотом, или когда период внесения удобрений не совпадает с наибольшей потребностью растений в азоте. При этом огромная доля элемента не выносится урожаем и ухудшает экологическую ситуацию в агрофитоценозах.

Известно, что различные формы азотных удобрений отличаются по интенсивности миграции в почвенном профиле. Высокие потери азота наблюдаются при использовании нитратных удобрений, таких как аммиачная, натриевая, кальциевая, калийная селитра. Это вызвано быстрым вымыванием нитратов, особенно в периоды с высокой влажностью почвы.

Большое количество хозяйств широко применяют КАСы – их удобно вносить, они содер­жат одновременно аммонийную, нитратную и амидную формы азота. Одна­ко при повышенных температурах эффективность КАСов снижается. Также наблюдается низкая эффективность усвоения азота при поверхностном внесении мочевины без заделки. Потери азота при этом могут составлять 40% и более.

Плюсы осеннего внесения

Известно, что в осенний период вегетации растениям озимой пшеницы требуется небольшое количество азота для развития вегетативной массы. В зимний период потребность растений пшеницы в элементах питания минимальна, в этот период в условиях избыточного увлажнения «окон» с положительными температурами возможны значительные потери элемента в нитратной форме.
После начала вегетации ранней весной потребность в азотных удобрениях резко возрастает. Высокая потребность в азоте наблюдается также в период цветения и налива зерна.

Исследования Олсона (1984), Фрэнсиса (1993) с 15N меченым азотом показали, что потери элемента в производстве зерновых могут составить от 20 до 50% от внесенного количества. Эффектив­ность усвоения азота растениями озимой пшеницы в значительной степени зависит от условий выращивания. Низкая эффективность во время второй и третьей подкормки наблюдается практически во всех почвенно-климатических зонах страны, что связано с высокими температурами и недостатком влаги в периоды от фазы выхода в трубку и вплоть до формирования колоса.
Известно, что внесение аммонийного азота может повышать эффективность применения удобрений. Это связано с тем, что ионы NH4+ лучше фиксируются почвенными коллоидами и не вымываются из почвы. Предполагается, что при внесении аммония достаточное количество азота должно быть доступно культуре на протяжении всей вегетации. При этом увеличение интенсивности поглощения азота во время налива зерна свидетельствует о потенциальном преимуществе NH4-питания в выращивании зерновых.

Различные физиологические эффекты были обнаружены при использовании аммонийной и нитратной форм азота для питания растений в гид­ропонных условиях. Уста­нов­лено, что нарастание биомассы растений, выращенных на аммонийном азоте, увеличивалось при повы­шении количества ионов калия в среде, а рост растений, выращенных на нитратах, при увеличении числа ионов калия почти не менялся. В подобных опытах было установлено, что достаточная концентрация ионов калия в почве повышает эффективность использования аммония через активацию ферментов, которые отвечают за ассимиляцию аммония и транспорт аминокислот.

Установлено также, что локальное внесение аммонийных удобрений, особенно безводного аммиака, благодаря повышению концентрации ионов аммония может тормозить процессы нитрификации и способствовать сохранению азота в почвенном профиле (Соколов О. А., 1989).

Безводный аммиак и аммиачная вода

Перспективным является применение аммонийного азота в виде безводного аммиака или аммиачной воды. Такая технология особенно актуальна на больших посевных площадях из-за возможности полностью механизировать транспортировку и внесение удобрения в почву (Дзык Р. Й., 1998). При этом обеспечивается также более равномерное внесение по сравнению с гранулированными удобрениями. Известно, что затраты ресурсов при внесении жидкого аммиака в почву на 20-40% ниже, чем при использовании твердых гранулированных удобрений, да и затраты труда уменьшаются в 2-2,5 раза.
Эффективность безводного аммиака увеличивается при внесении на определенную глубину почвенного профиля. Выявлено положительное влияние аммиака на урожайность зерна по сравнению с внесением мочевины и аммиачной селитры поверхностным способом. В целом, размещение азотных удобрений ниже поверхности почвы способствует более длительному сохранению азота, а также более полному его использованию растениями.
С уменьшением количества осадков в весенне-летний период, что наблюдается в последние годы во всех регионах Украины, эффективность подкормок посевов озимой пшеницы снижается. Поэтому ведущие зернопроизводители Украины (предприятия «Мироновского хлебопродукта», компании «Райз» и многие другие) однократно вносят осенью жидкие азотные удобрения – безводный аммиак и аммиачную воду на определенную глубину почвенного профиля (15-20 см) и получают на больших площадях урожаи от 60 и более центнеров с гектара. Это объясняется лучшей доступностью азота для посевов пшеницы благодаря повышенной влажности этого слоя почвы.
Несмотря на большое количество исследований, проведенных в области оптимизации азотного питания озимой пшеницы отечественными и зарубежными исследователями, остаются нерешенными ряд вопросов. Сколько азота поглощают растения в осенний период при внесении элемента на глубину 15-20 см при различной протяженности осеннего вегетационного периода? Какие формы аммонийных удобрений лучше применять? Как влияет обеспеченность растений азотом на перезимовку и на возобновление весенней вегетации? Как высокие концентрации аммонийного азота влияют на гумус почвы при многолетнем внесении удобрений?

Сроки внесения  и эффективность

Установлено, что повышение количества внесенного азота в форме аммиачной селитры до 550-600 кг/га туков не способствует пропорциональному росту урожая пшеницы, однако приводит к увеличению (в разы) потерь элемента в окружающей среде (Zou G.Y. et al., 2006). Высокие потери азота обусловлены частыми периодическими затоплениями пахотных земель, это ускоряло процессы денитрификации, испарения аммиака и вымывания нитратов в глубокие слои почвы, недоступные для растений.
Другими авторами (Ernie M., Russ K., 1999) проводились исследования эффективности усвоения азота аммиачной селитры растениями озимой пшеницы при различных сроках внесения удобрений. В опыте использовали три варианта: контроль – без внесения удобрений, опытные варианты – 45 кг/га азота весной и осенью. Высокий уровень накопления сухой массы был в варианте, где удобрения вносились в фазу позднего кущения – 12 т/га сухого вещества. В варианте с осенним внесением удобрений получено 7 т/га сухого растительного вещества. В контрольном варианте без удобрений результат был более низким – 6 т/га сухого вещества. Подобные результаты были получены и по выносу азота в течение вегетации, соответственно 99,8; 55 и 45 кг/га. Такие результаты авторы связывают с вымыванием азота из пахотного слоя почвы еще до начала фазы активного поглощения. Также было установлено, что высокая потребность в азотных удобрениях, а отсюда и высокая интенсивность поглощения, наблюдалась в конце фазы кущения – начала фазы выхода в трубку. Sullivan D. (1998, 2011) и его соавторы наблюдали самую высокую интенсивность в середине марта.

Выявлено положительное влияние позднего внесения азотных удобрений. Применение азота в середине фазы выхода в трубку приводило к увеличению урожая и содержания белка в зерне. Душкин А. Н. и Беспалова
Н. С.(1986) в полевых опытах на пшенице подтвердили положительное влияние жидкого аммиака на рост, развитие и урожайность растений. Жидкий аммиак способствует снижению количества воды, используемой на синтез единицы продукции по сравнению с контрольными вариантами. Выявлена зависимость между интенсивностью усвоения аммиачного азота и количеством осадков: наилучшее действие удобрений наблюдалось при оптимальном обеспечении посевов влагой. Жидкий аммиак по агроэкономической эффективности был равноценным аммиачной селитре, которая вносилась в эквивалентной дозе, а в отдельные годы проведения опытов его эффективность была значительно выше.

Положительное влияние безводного аммиака возрастает на фоне повышенного фосфорно-калийного питания. Этот факт наблюдался особенно отчетливо в годы с достаточным обеспечением влагой. Так, например, в опытных вариантах, где вносился жидкий безводный аммиак в дозе N90 на фоне P90K60, наблюдался дополнительный прирост урожая озимой пшеницы на 5,5 ц/га по сравнению с той же дозой на фоне P60K30.
Жидкий аммиак способствовал повышению содержания сырой клейковины в зерне, не уступая по эффективности аммиачной селитре. На фоне P60K30 содержание клейковины в вариантах с внесением жидкого аммиака увеличивалось в среднем на 1,9-2,7%, а на фоне P90K60 – на 2,6-3,6%.
Наблюдалось также увеличение содержания белка в зерне озимой пшеницы, в среднем жидкий аммиак на 0,4% превосходил действие аммиачной селитры в эквивалентной дозе. В пересчете сбора белка с единицы площади эффективными оказались варианты с внесением жидкого аммиака под вспашку в дозе N90 на фоне P60K30 и N120 на фоне P90K60. Прибавки при сборе белка по сравнению с контрольным вариантом составляли 126 и 113 кг/га соответственно (Душкин
А. Н., Беспалова Н. С., 1986).

Эффективность разных форм азота

На ассимиляцию молекулы NO3– растением затрачивается 20 молекул АТФ, а на ассимиляцию молекулы NH4+ нужно всего 5 молекул АТФ. Это может способствовать повышению накопления сухого вещества, если азот поступает в форме ионов аммония. Однако известные результаты большого количества вегетационных, полевых и производственных исследований часто свидетельствуют о противоположных результатах. Например, известно, что увеличение доли аммонийного азота в питании растений озимой пшеницы способствует росту количества продуктивных стеблей на 1 м2. По другим данным, повышение концентрации аммонийного азота способно снижать количество зерен в колосе пшеницы. Поэтому вопрос физиологической приоритетности формы азота для растений в производственных условиях остается открытым.


В последние годы из-за снижения количества осадков в период вегетации, особенно в Лесостепи и на юге Украины, целесообразным является внесение жидких удобрений на значительную глубину, так как при размещении азота на глубине 0-10 см он становится малодоступным для пшеницы из-за пересыхания верхнего слоя почвы. На озимой пшенице сорта Одесская 51 выявлено положительное влияние глубокой заделки аммиачной воды. Удобрения вносились с помощью культиватора-плоскореза на глубину 28-30 см, в контроле – на глубину 10 см. На участках с глубокой заделкой аммиачной воды с восстановлением весенней вегетации растения лучше кустились и интенсивнее накапливали биомассу. Растения, выращенные на участках с глубокой заделкой удобрений, в фазу колошения имели биомассу на 562 г/м2 большую, чем на контрольных участках (Мордовец
А. А., Карпук В. Ф. 1985).

Установлено, что высокое количество аммонийного азота (N160 кг/га), внесенного на глубину 28-30 см, на 17% снижает поражение всходов пшеницы хлебной жужелицей. Высокие концентрации паров аммиака пагубно влияют на личинки вредителей, находящихся в зоне 20-30 см. Авторы отмечают, что в среднем высокие урожаи были получены в вариантах с глубокой заделкой аммиачной воды. В опытных вариантах наблюдался прирост урожая от 9,4 до 10,2 ц/га по сравнению с контрольным вариантом. Помимо увеличения урожайности, внесение аммиачной воды на глубину 28-30 см улучшало качественные показатели зерна: наблюдалось увеличение количества продуктивных стеблей, зерно было более выполненным и с более высоким содержанием клейковины (Мордовец А. А., Карпук В. Ф., 1985).

Форма азотных удобрений значительно влияет на устойчивость растений озимой пшеницы к повышенной засоленности среды. Известно, что на соленых почвах в зерне пшеницы значительно снижается накопление сухого вещества, а также азота и фосфора. При применении двух форм азота растет урожайность, увеличивается накопление азота и фосфора, причем положительное влияние смешанного питания повышается при росте в составе удобрения доли аммония. Вероятно, снижение токсического действия ионов натрия связано с повышением концентрации в среде ионов NH4+ и конкуренции ионов аммония и натрия на уровне мембранных переносчиков (Shaviva A. et al., 1990).

Применяя сульфат аммония в качестве азотного удобрения, Huber D.M. et al. (1980) обнаружил повышение урожайности яровой пшеницы на 51% по сравнению с контролем. Аммонийный азот способствовал уменьшению заболеваемости растений пшеницы корневыми гнилями. При использовании аммиачной селитры пораженность корневыми гнилями наблюдалась на больших площадях посевов пшеницы по сравнению с использованием сульфата аммония. Внесение поздней осенью сульфата аммония под озимую пшеницу способствовало уменьшению заболеваемости корневой гнилью по сравнению с другими вариантами удобрений и с селитрой. В период проведения этих опытов температура почвы колебалась в пределах 1-4°С. Эти условия были неблагоприятными для нитрификации, поэтому, вероятно, азот оставался главным образом в аммонийной форме.

В других исследованиях вносили сульфат аммония на по­верхность почвы (Sait G., Fethi B., 1995). Однако большого прироста урожая и улучшения качества зерна получено не было. На протяжении вегетации большая часть азота терялась из-за частичного испарения в форме NH3 и такая технология оказалась неэффективной.
Следует отметить, что внесение высоких доз физиологически кислых азотных удобрений должно предусматривать изменения систем питания посевов озимой пшеницы в связи со снижением коэффициентов усвоения фосфора, серы, калия, бора, кальция, магния, молибдена и хлора, а также возрастанием – железа, меди, марганца и цинка.

Совместное внесение органического и минерального азота

Azam Shah с соавторами (2009) выявил положительное влияние совместного применения органического и минерального азота в сравнении с вариантом, где применялся только минеральный азот, и с контролем, где удобрения не вносились. В опыте органический азот (птичий помет) применялся однократно перед посевом, а минеральный азот в виде карбамида вносился в три приема: перед посевом, в фазу кущения и в фазу выхода в трубку. Осенью также применяли фосфор и калий. Наивысший урожай зерна (3,248 т) был получен в варианте, где внесли 25% органического и 75% минерального азота, несколько меньший урожай был получен с внесением карбамида без использования органического азота – 3,209 т, низкий урожай был получен в контрольном варианте – 1,138 т. Похожие результаты были получены и для урожая соломы. Другие авторы (Shaaban, 2006) наблюдали подобную закономерность при использовании 80 кг органического и 40 кг неорганического азота. Такой урожай исследователи объясняют более продолжительным действием комбинации органической и минеральной форм азота, поскольку органические удобрения содержали большую часть аммония, который слабо вымывается из почвы.

Глубина внесения и эффективность азотных удобрений

В. В. Кидин и Е. Н. Ильюк (2006, 2009) сравнивали эффективность сульфата аммония и натриевой селитры, содержащих 15N. Исследовали пути его трансформации в отдельных слоях почвы и определяли степень доступности для растений различных форм минерального азота в зависимости от глубины его расположения в почвенном профиле. Установлено, что количество усвоенного азота в разных формах в пахотном (0-20 см) и подпахотном (20-40 см) слоях почвы было практически одинаковым. Однако из более глубоких слоев почвы (40-80 см) растения лучше усваивали аммонийный азот, чем нитратный. Это вызвано тем, что аммонийный азот связывается почвенными коллоидами и лучше используется растениями по мере роста корней. Часть внесенного минерального азота, от 10 до 40%, фиксировалась почвой и значительная часть (15-82%) терялась из-за вымывания и денитрификации. Авторы установили, что больше минерального азота закреплялось в пахотном и подпахотном слоях почвы (0-20, 20-40 см).
Концентрация аммонийного азота в пахотном слое была значительно выше – 40%, а концентрация нитратов в пахотном слое – 29%. С увеличением глубины количество иммобилизованного аммонийного и нитратного азота значительно снижалось, в слое 40-60 см оно составляло соответственно 21 и 15%, в слое 60-80 см – 15 и 10% от общего количества фиксированного азота в разных горизонтах. Более низкое процентное содержание нитратного азота в разных профилях почвы свидетельствует о том, что нитраты значительно интенсивнее перемещаются в почве, а при избыточном увлажнении могут вымываться в недоступные для растений слои.

Tomar J., Soper R. (2000) сравнивали поверхностное разбрасывание и локальное внесение в рядки карбамида. В опытах на ячмене использовали мочевину, обогащенную меченым азотом. Внесение рядковым способом на глубину 10 см способствовало лучшему усвоению растениями и снижению количества остаточных азотных удобрений в почве по сравнению с вариантами, где азотные удобрения были внесены вразброс на поверхность почвы.
Olson в классических полевых опытах с осенним и весенним внесением сульфата аммония, который содержал 15N, обнаружил значительное влияние сроков и способов внесения азотных удобрений на их эффективность. Установлено, что лучшее, по сравнению с поверхностным разбрасыванием, усвоение азота происходило при ленточном внесении удобрений на глубину 5 см. Известно, что азот поступал в растения с разной интенсивностью от 18,7 кг/га (31% от внесенного) до 37 кг/га (62% от внесенного). Наименьшая интенсивность усвоения наблюдалась в вариантах с осенним внесением удобрений поверхностным разбрасыванием, а также когда удобрения применялись весной вразброс с ингибиторами нитрификации. Авторами были выявлены потери азотных удобрений в пределах от 2 до 13 кг/га во всех вариантах опыта. Но в вариантах с поверхностным разбрасыванием удобрений потери азота были гораздо большими, чем при ленточном внесении их на фиксированную глубину.
При ленточном внесении в почву возрастает интенсивность поглощения азота по сравнению с поверхностным разбрасыванием. В среднем на опытных участках с ленточным внесением азотных удобрений усваивалось на 6,4 кг/га больше, чем при поверхностном разбрасывании.
Выявлено, что более высокая интенсивность усвоения азота при ленточном внесении удобрений связана с тем, что удобрения локализуются ниже поверхности почвы на определенной глубине (табл. 1).

При поверхностном разбрасывании в условиях недостаточного количества осадков азот из удобрений концентрируется в верхних слоях, что значительно уменьшает его доступность для растений. Так, в опытах Olson на некоторых участках сульфат аммония, который содержал 15N, внесли на глубину 5-10 см, поэтому доступность удобрений была выше по сравнению с участками, где азот вносили поверхностным разбрасыванием. На участках, где проводилось поверхностное разбрасывание, большая часть остаточного азота была все еще на глубине не более 5 см. В тех вариантах, где удобрения были внесены на глубину 5-10 см ленточным способом, наблюдалась наибольшая концентрация азотных удобрений вокруг зоны внесения (табл. 2).
Поэтому наиболее подходящим способом внесения азотных удобрений является ленточное с заделкой, при котором азот попадает в зону с высоким содержанием влаги, перемещается в более глубокие слои почвы, наиболее насыщенные корнями растений. При поверхностном разбрасывании азотных удобрений и недостаточном увлажнении азот остается на поверхности или в верхних слоях, что предопределяет его низкую эффективность.
В полевых и производственных опытах нами было обнаружено положительное влияние осеннего внесения аммонийного азота на урожайность зерна озимой мягкой пшеницы. Исследования проводились в 2010-2012 гг. с озимой пшеницей сорта Смуглянка и Переяславка на базе Опытного сельскохозяйственного производства Института физиологии растений и генетики НАН Украины и на базе производственной компании ООО «Агросервис». В полевом опыте 2010-2011 гг. вносили сульфат аммония в количестве N120 кг/га по действующему веществу на фоне Р90К90S20 на глубину 20 см. Контрольными вариантами служили вариант внесения N120Р90К90S20 (азот вносили осенью в виде аммиачной селитры 1 и 2 подкормки весной) и вариант без внесения удобрений.
Выявлено, что предпосевное применение сульфата аммония в опыте 2010-2011 годов у сорта Переяславка обеспечило увеличение урожая до 58,2 ц/га по сравнению с дробным внесением и вариантом без внесения удобрений, где урожайность соответственно составила 55,5 и 24,5 ц/га. Подобные результаты были получены для сорта Смуглянка (табл. 3).
Положительное влияние аммонийных удобрений (в форме безводного аммиака, внесенного в почву осенью однократно) наблюдалось и в производственных опытах. В условиях аномально высоких температур и малого количества осадков в течение вегетационного периода 2011 года жидкие азотные удобрения повышали урожай до 42,6 ц/га, что статистически достоверно превышало вариант, где вносили азот в течение весенне-летнего периода в форме аммиачной селитры. Больший урожай при внесении безводного аммиака получен и в 2012 году (табл. 4).

Выводы

• Интенсивность использования азотных удобрений в растениеводстве растет с каждым годом. Уже в начале нынешнего века в мире использовали почти 100 млн тонн азотных удобрений, из них 60% – в посевах злаковых культур.
• Эффективность использования азота в посевах зерновых в мире остается низкой – около 33%. Это обусловлено сложными проблемами в выборе систем питания азотом и обеспечения растений пшеницы необходимыми количествами азота по фазам развития. Эффективность использования азота в посевах пшеницы также снижается во вторую половину вегетации и при недостатке влаги. Это особенно характерно для зоны Степи Украины.
• Перспективным решением в совершенствовании систем азотного питания посевов озимой пшеницы в условиях увеличения аридности климата является осеннее внесение жидких удобрений в аммонийной форме (безводный аммиак и аммиачная вода) на глубину расположения корневой системы культуры. Это позволяет повысить эффективность использования азота и снизить нецелевые потери элемента. Также осеннее внесение аммонийного азота обеспечивает полную механизацию процессов транспортировки и внесения в почву, может быть наиболее целесообразным для крупных зернопроизводителей.

 

Владимир Моргун,
академик НАН Украины
Виктор Швартау,
член-корреспондент НАН Украины
Людмила Михальская,
младший научный сотрудник
Виталий Ходаницкий,
аспирант
Институт физиологии растений и генетики 
НАН Украины

Опубликовано в №8/2012