Катионобменная способность почвы и гумус

Внесение удобрений может быть совершенно неэффективным — если вы не понимаете всех процессов, которые протекают в вашей почве

Вследствие чрезвычайно малой плотности (менее 10 тысячных миллиметра) гуминовый материал почвы имеет отрицательный электростатический заряд, который превышает заряды глины, из которой состоит почва.

Гумифицированное органическое вещество обладает повышенной способностью поглощать такие катионы (рис. 1) как кальций (Са++), магний (Mg++), калий (К+), натрий (Na+), аммоний (NH4+) и другие.

Все это происходит в почве благодаря простому принципу электрики: электрические заряды различной полярности притягиваются друг к другу. Этот феномен очень важен при таком качестве природной глины, как каолинит, 1:1 глины, которой не хватает электрического заряда и требуется улучшение низкой катионобменной способности (КОС) за счет увеличения содержания гумуса в почве.

Соотношение 1:1 указывает на то, что глина состоит из одного слоя кремнезема и одного – алюминия.

Глины лучшего качества, например 2:1, состоят из двух слоев кремнезема и одного слоя алюминия, причем слой алюминия идет между двумя слоями кремнезема. То, что отрицательные коллоиды – минеральные или органические – могут поглощать катионы из почвенного раствора, предотвращает вымывание этих важных питательных веществ в более глубокие слои почвы дождем или орошением.

Когда органическое вещество превращается в гумус, оно может действовать аналогично минеральным коллоидным комплексам.

За счет большой площади поверхности гумус обогащает почву отрицательным зарядом, который увеличивает КОС. Он может в два раза увеличить КОС, обеспечиваемый минеральным комплексом. Это один из наиболее значимых вкладов No-till.

No-till увеличивает количество гумуса и стабилизирует его в почве, что приводит к обогащению ее бльшим объемом питательных веществ, улучшая процесс поглощения катионов.

В физиологических процессах растений почвы с КОС более 20 миллиэквивалентов / 100 г будут обладать большим резервом катионов, поскольку поставляются культурам в любой момент, когда корни выделяют протоны водорода (Н+) для обмена на основные катионы. Происходящий обмен с использованием освобождения и притягивания катионов всегда будет приходить в равновесие в этом естественном процессе. Чем больше КОС, тем интенсивнее обмен катионами.

Не менее важным элементом высокой КОС в почве является опосредованное устранение окисления. Места коллоидного обмена будут заряжены полезными питательными веществами (катионами), не давая возможности протонам Н+ занять их. Н+ останется в почвенном растворе и будет вымыт ниже плодородного горизонта почвы.

Однако это не постоянная ситуация. Только No-till и периодическое внесение карбоната кальция (извести) помогут сократить риск окисления и потери оснований почвы.

Почвы с нейтральным уровнем рН имеют больше шансов принятия полезных катионов, что косвенно влияет на способность удержания обменных оснований.

Подобное происходит из-за нехватки места, где минеральные и органические коллоиды могут впитывать катионы. Эта способность выше, если коллоиды хорошего качества тоньше или имеют бльшую поверхность.

В кислых почвах катион Н+ может занимать более 15 % свободного места между частичками глины, впитывающими катионы. По мере улучшения уровня рН полезные катионы могут вымещать Н+ из обменных комплексов и значительно улучшать плодородие почвы.

Уровень активного органического вещества почвы и рН являются жизненно важными факторами, которые могут приводить к изменению КОС почвы.

Корре­ля­цию, существующую между этими двумя факторами можно объяснить следующим образом: для каждой единицы рН свыше 4,5 КОС может увеличиваться на 1 миллиэквивалент на каждый % органического вещества почвы (таблица 1).

В этой таблице показано насколько важно, чтобы уровень углерода в почве и рН были близки к нейтральному. В почвах, где количество органического вещества не изменяется и составляет 3 %, а рН улучшается с 5 до 7, КОС увеличивается в пять раз. Если рН остается неизменным, а количество органического вещества увеличивается до 4 %, КОС увеличивается в 6,66 раза. Эти значения не зависят от наличия частиц глины в почве.

Кальций является наиболее важным катионом, поддерживающим баланс обмена основаниями. Этот элемент очень влияет на внутренний состав почвы, поскольку он обеспечивает соответствующий уровень рН, накапливая 60-70 % общей суммы оснований почвы.

Уве­личение содержания гумуса в почвах (которое обеспечивается растительными остатками) не только влияет на удержание питательных оснований, но и обладает буферной способностью в почве, что обеспечивает устойчивость к изменениям в общем и рН в частности.

В таблице 2 обобщена работа, проведенная Гаравито. В этой таблице приведены некоторые значения КОС различных видов глины, включая органическое вещество почвы. Глина с наивысшим показателем КОС относится к монтмориллонитам, вермикулитам и галлуазитам, а с самым низким показателем КОС – к каолинитам. Органическое вещество обеспечивает наивысший показатель КОС.

Почвы Чеквена обладают низкой КОС, поскольку КОС глины (каолинит), из которой они состоят, составляет лишь 11 миллиэквивалентов/100 г. Несмотря на то что генетически эти почвы обеспечивают хорошие агрономические характеристики, КОС была значительно улучшена при помощи No-till.

Почвы, богатые активным органическим веществом, повышают продуктивные функции за счет присутствия гуминовых соединений.

В таких условиях увеличивается отрицательная заряженность почвы, обеспечивая доступность монокальций фосфата для растений. Бытует мнение, что почвы с рН ниже 6,4 и высоким содержанием экстрагируемого алюминия фиксируют анионы фосфата (Н2РО4), поскольку он закрывается в свободных пространствах между структурами минерала. Гуминовые коллоидальные компоненты обладают достаточным отрицательным зарядом, чтобы выместить анион фосфата.

Освободившееся место впоследствии занимает органический коллоид. Поэтому ионы фосфата остаются в почвенном растворе в том месте, откуда корни растения могут их впитать. Такой анионный обмен может обусловливать повышенную доступность фосфора в почвах Чеквена.

Несмотря на это, большинство фермеров, которые успешно увеличивали объем органического вещества при помощи No-till, отмечают, что количество доступного или подвижного фосфора увеличивается.

Гумус и кальций в процессе питания почвы

В традиционном сельском хозяйстве азот, фосфор и калий считаются основными питательными веществами для питания растений. Без сомнения, эти три элемента действительно являются основными в питании культур. Именно поэтому большая часть сельскохозяйственного производства основана на внесении удобрений, содержащих именно эти элементы.

Если почва не обрабатывается механически, биологическая активность, особенно аэробная, увеличивается благодаря повышению содержания углерода. Растительные остатки на поверхности почвы становятся незаменимым источником питания для микробиологии и мезофауны, стимулирующим их популяцию.

Кальций важен в питании микробиологии, поскольку он приводит к увеличению гуминовой активности. Помимо значимости для биологической активности почвы кальций также важен для ее внутреннего функционирования.

На рисунке 2 показано, как катионы кальция (Са++) притягивают анион фосфата (Н2РО4–) благодаря своему электрическому потенциалу; это не дает аниону впитаться коллоидальной минеральной фракцией. В таких условиях ион фосфата может свободно двигаться в почвенном растворе посредством анионного обмена, в котором также участвует карбонат (СО3–) и гуминовые соединения.

Коллоидальная частица извести, окруженная электрически притянутыми анионами, содержащими фосфор

Почва, уровень кальция которой составляет менее 65 % общей суммы оснований в местах обмена, будет менее плодородной. Как утверждалось выше, кальций – наиболее влиятельный катион для внутреннего функционирования почвы, и его потери в местах катионного обмена обычно приводят к увеличению количества менее важных катионов или катионов водорода, который изменяет уровень рН в почвах и повышает кислотность. Очень важно поддерживать соответствующий уровень кальция в почвах, рН которых ниже 6,4. В таблице 3 показан оптимальный процент катионов в почвах, отведенных под сельское хозяйство.

Катион кальция (Са++) очень важен для питания почвы, поскольку он активно участвует во внутреннем физиологическом феномене почвы. Согласно предыдущим утверждениям, этот элемент должен входить в химические и органические удобрения как на кислых почвах, так и на почвах с низким содержанием кальция.

Гумус и кальций химически объединяются в почве и формируют гумат кальция. Вместе с глиной это химическое соединение обогащает почву, формируя гумусово-кальциево-глиняное соединение, которое повышает плодородие почвы.

В вулканических почвах Чили (trumaos – название, данное пыльным почвам вулканического происхождения) часто отмечается низкий уровень фосфора из-за фиксации этого элемента полуторными окисями алюминия, несущими сильный положительный заряд. Впитываемый фосфор (Н2РО4–) может быть выпущен гуминовой фракцией, которая хорошо формируется при использовании системы No-till, поскольку гумус обладает бльшим отрицательным зарядом, чем анион фосфата, что приводит к освобождению этого аниона.

Это ведет к тому, что больше фосфора присутствует в почвенном растворе. Специалисты в области управления почвами при­шли к выводу, что без гумуса и кальция эти вулканические почвы очень бедны для возделывания на них культур.

К кальцию необходимо относиться, как к элементу повышенной важности в удобрениях, так как он влияет на плодородие почвы. На рынке продаются азотные удобрения, которые также предоставляют кальций, если почва кислая (уровень рН), и если физиологически кислые удобрения, например, мочевина (CO (NH2) 2), аммиак (NH3) и аммоний (NH4+), постоянно используются. Карбонат кальция, который еще называют известью, является основным агентом рН и восстановителем кальция в кислых почвах.

В процессе трансформации аммония (NH4+) в нитрит (NO2–) при помощи бактерий Nitrosomonas и в нитрат (NO3–) при помощи Nitrobacter создается очень кислая среда в почве. Чтобы понизить эту кислотность, необходимо добавить 3,57 кг извести (СаСО3) на кг добавляемого азота (Тисдейл и Нельсон, 1991).

По моим наблюдениям, за поведением рН в почвах Чеквена за последние 20 лет, я обнаружил, что можно выделить два основных типа почвенной кислотности:

1. Удобрения, содержащие аммоний или его производ­ные, окисляют почву путем окисления соединения NH4, которое в свою очередь производит два окисляющих протона водорода. Этот процесс неизбежен, и его можно исправить только добавлением карбоната кальция, оксида кальция или других оснований, дающих кислород. Таким образом можно нейтрализовать окисляющий эффект процесса нитрификации.

2. Внесение навоза, содержащего органический азот, не обязательно приведет к понижению рН. Мы уже знаем о буферном влиянии органического вещества почвы на ее физиологические функции. Присутст­вие органических коллоидов в навозе смягчает изменения рН, поэтому внесение этих отходов животноводческих ферм только приветствуется. В навозе также содержатся побочные продукты, богатые кальцием, которые не переварились животными.

Из вышесказанного мы можем сделать вывод, что окисление почвы не зависит жестко от превращения аммония в нитрат, однако зависит в основном от происхождения азота: из органического или неорганического источника.

Это указывает на то, что в случае с активными органическими поверхностями (свежий гумус) влияние на окисление почвы может быть минимальным по сравнению с поверхностью, где содержится меньше органического вещества, но получающей аналогичное количество аммония.

К сожалению, это не свойственно аллофановым или trumaos почвам у подножия Анд в Чили. Здесь No-till помогает поддерживать рН близко к нейтральному уровню благодаря повышенному содержанию углерода в почве.

Гумус представлен в трех основных формах: фульвокислота, гуминовая кислота и гумин. Он необходим для питания почвы и культуры, а также для внутренних почвенных процессов. Возможно, одной из его основных функций является выпуск минеральных соединений, впитанных или удерживаемых минеральными коллоидными комплексами. Здоровое, самовосстанавливающееся и продуктивное сельское хозяйство должно основываться на постоянном производстве гуминовых кислот в почве, в основном благодаря сохранению растительных остатков на ее поверхности.

Древовидные микоризные грибы (ДМГ)

Древовидные микоризные грибы (ДМГ) присутствуют почти во всех наземных растениях. Они заселяют корни, выбрасывая гифы, похожие на корни гриба, которые прикрепляются к корню растения. Их деятельность симбиотична, поэтому связь с корнями неизбежна. Растение дает необходимые углеводы ДМГ посредством внутриклеточных путей. ДМГ впитывают воду и питательные вещества через ветви и гифы, которые они делят с растением, участвуя таким образом в естественном процессе взаимозависимости.

Гифы ДМГ – маленькие корневидные волоски, которые можно увидеть только под микроскопом. Их функция заключается в исследовании почвы, чтобы принести пользу растению, поскольку их корневая система может углубляться в почву на 8 см глубже, чем непосредственно корневая система растения. Было определено, что 1 см зараженного корня растения имеет более 1 м гифов, что означает значительное увеличение способности впитывать влагу и потреблять питательные вещества.

Разница между длиной и объемом корневой системы микоризных и немикоризных растений показана в теории на рисунке 3.

Объем почвы, исследуемый 1 см корня с микоризой и без нее, когда мицелий гриба развивается радиально вокруг корня

Чем больше углубляется корневая система микоризного растения, тем больше объем почвы, который изучается гифами. 1 см корня без микоризы может исследовать 1-2 см3 почвы при помощи корневых волосков. Этот объем можно увеличить от 5 до 200 раз при помощи мицелия ДМГ, который приводит к радиальному увеличению гифов, окружающих корни растения. Средняя степень поражения корня составляет 12-15 см3 на см корня.

ДМГ можно обнаружить в большинстве почв, хотя хорошего симбиоза может не получиться с каждой культурой. Некоторые семейства, например, крестоцветные (рапс и редис), маревые (свекла), гвоздичные, осоковые и ореховые, не очень хорошо производят микоризу. У этих видов ДМГ входят в корни, но быстро отбрасываются.

Этот феномен удивителен. Возникает вопрос, каким образом эти растения заменяют ту пользу, которую они могли бы получить, если бы была микориза? Например, крестоцветные (редис, Raphanus sativus L.) очень хорошо растут и могут развиваться даже на почвах с небольшим количеством фосфора.Белый люпин (Lupinus albus) также не образует древовидной микоризы. Однако нехватки фосфора не ощущает благодаря изобильному производству лимонной кислоты в ризосфере.

Доктор Фернандо Бори обнаружил, что этот сорт люпина способен выделять до 26 % своего собственного веса в виде лимонной кислоты в ризо­сферу. Это объясняет растворимость фиксированного фосфора в присутствии лимонной кислоты, поскольку она действует как хелатообразующее соединение и нейтрализует фосфорфиксирующее действие полуторных окисей алюминия. Поэтому белый люпин отлично адаптируется к кислым почвам.

Чтобы обеспечить симбиоз между грибами и корнями растения, необходимо создать идеальные условия окружающей среды, которые позволят спорам ДМГ колонизировать корни. Оборудование для механической обработки почвы разрушает почву и подвергает ее открытому солнечному свету и обезвоживанию, которые разрушают идеальные почвенные условия и споры ДМГ.

Другим отрицательным фактором для развития ДМГ является внесение растворимых удобрений в количестве более 50 кг / га, например тройной суперфосфат в корневую зону растения.

Было установлено, что нерастворимый в воде трикальций фосфат или фосфорит способствует действию ДМГ, когда рН почвы ниже 6. Большое количество растворимого Р оказывает более негативное действие на заселение микоризой в тяжелых суглинках (мелкая текстура) по сравнению с песчаными суглинками (грубая текстура).

Концентрация фосфора, вносимого в посевную борозду, влияет на развитие ДМГ. На основании нашего опыта, удобрения нужно разбрасывать по поверхности почвы. В этом случае влияние на микробиологию и фауну почвы не будет отрицательным.

Микробиология почвы обычно подсказывает, как вносить удобрения. Микробиологи, наблюдая за влиянием удобрений на жизнь в почве, предполагают отрицательное воздействие на среду микробов, если тип почвы, метод и норма внесения, вид удобрения не учитываются. Растворимые удобрения эффективны для питания растений, но могут наносить вред свободноживущим организмам и симбиотическим микроорганизмам.

Эти биологические процессы в почве возникают спонтанно и естественно. Фермеры должны знать о вреде или пользе, которые могут быть в этой деликатной среде, поэтому следует внимательно выполнять какие-либо операции.

На уровне корней микоризные растения могут также выделять энзимы и / или органические кислоты, способные расщеплять питательные вещества, например фосфор, которого обычно не хватает в большинстве почв. Обычно в почвах содержится значительное количество общего фосфора по сравнению с тем, сколь мало его необходимо растениям. Общее количество фосфора в тяжелых суглинках обычно составляет более 1500 частиц на миллион.

Однако фосфора, доступного для растений в виде экстрагируемого фосфора по Ольсену, может быть меньше 15 частиц на миллион. Этот феномен объясняется ассимиляцией исключительно ортофосфата Н2РО4– и бивалентного фосфора НРО4–2 растениями. Фосфор, как и другие химические элементы из родительского материала, зачастую присутствует в виде недоступного химического соединения, которое включено в общее количество Р.

Трикальций фосфат Са3 (РО4)2, присутствующий в фосфитах, будет доступен растениям только тогда, когда растворимый фосфор выпускается под действием энзимов и органических кислот, например, лимонной кислоты, цитрата аммония и других. Считают, что ДМГ играют важную роль в превращении фиксированного фосфора в подвижную и доступную для растений форму.

ДМГ и гломалин

В недавнем исследовании было обнаружено, что поведение ДМГ улучшало стабильность почвенных агрегатов благодаря выделению нерастворимых глюкопротеинов гифами ДМГ, которые называются гломалин.

Активное присутствие этих симбиотических грибов, производящих гломалин, долго и положительно воздействует на почвенные агрегаты благодаря своим выделениям, которые склеивают частицы почвы и улучшают ее структуру.

Несмотря на то что гломалин образовывает нерастворимые и стабильные соединения, механическая обработка разрушает эти соединения и нивелирует их полезность (Райт, 2001).

Фернандо Бори с командой в Университете де ла Фронтера, Темуко, Регион IX, Чили, изучал поведение ДМГ в почвах Чеквена при различных сроках применения No-till по отношению к производству гломалина с плотностью мицелия ДМГ (таблица 4).

Результаты показали, что в течение 4-20 лет No-till общее и выделяемое количество гломалина увеличилось в верхних 50 мм почвы с 1,8 до 3,59 мг / г сухой почвы. Плотность мицелия увеличилась с 14,8 до 19,3 м / мл.

Для горизонта 100-200 мм результаты относительно аналогичны из-за глубины и пониженного содержания С в более глубоких слоях по сравнению с верхними.

Открытие д-ра Сары Райт, а также наблюдения д-ра Бори подтверждают косвенную пользу от отсутствия механической обработки и присутствия растительных остатков на поверхности почвы. Эти результаты говорят о том, что почва может вернуться к своему естественному биологическому порядку и нормальным функциям, если человек не будет вмешиваться в ее процессы.

Тем не менее для получения подобных результатов необходимо, чтобы фермеры были абсолютно убеждены в том, что они должны кормить почву каждый день и всегда считать ее наивысшей ценностью, данной человеку.

Почва не может творить чудеса, если ей не давать возможности или времени для выработки необходимых изменений. Чем лучшую технологию мы будем использовать, тем быстрее придут изменения.

Используя технологию No-till в течение 27 лет, фермер будет находиться только на половине пути к кульминации. Чтобы получить больше положительных результатов в нижних горизонтах почвы, необходимо помогать развиваться почвенной жизни во всех аспектах. Потребуется много времени, чтобы понять и принять этот факт, имеющий отношение к продуктивной функции почвы. Однако в результате мы получим сельское хозяйство, которое далеко выходит за пределы самовосстановления.

Наилучший способ стимулирования симбиотического эффекта – защищать почву растительным покровом. Он достигается только тогда, когда мы перестаем пахать почву и эффективно управляем растительными остатками на поверхности.

Минерализация органического вещества

Растительные остатки на поверхности почвы проходят три различные стадии, пока окончательно не распадутся и не станут минеральными соединениями, важными для питания культуры. Эти стадии являются результатом активности внутренней биологии почвы, состоящей из разнообразных микроорганизмов и мезофауны.

Мы уже обсуждали первую стадию – свежее или распадающееся органическое вещество. Эта стадия характеризуется тем, что углероду из растительных остатков на органической стадии еще предстоит пройти молекулярные изменения, пока он находится в 100 % оригинальной структуре.

Следующая стадия – гумусовое состояние. Эта стадия характеризуется потерей изначального органического углерода из растительных остатков и образованием двуокиси углерода (СО2) и воды за счет физиологии почвы. Гумусовое состояние начинается с первыми стадиями распада органического вещества и длится, пока весь органический углерод не преобразуется в СО2.

Третья стадия, или минеральное состояние, обеспечивает полную минерализацию органического вещества (100 % потери органического углерода). Эта стадия наименее важна для почвы в рамках сложного процесса. Мине­раль­ное состояние (влияние на растение очень краткосрочное) обеспечивает около 2,5 % изначального веса свежих остатков в виде питательных веществ для растения (рис. 4).

Соотношение углерода и азота в почве

Азот и углерод необходимы для жизни и в нетронутых почвах, они существуют в гармоничном и стабильном соотношении. Однако люди постоянно вмешиваются в жизнь почвы и не выполняют основных правил почвозащиты. Это медленно приводит к нарушению баланса и к потере основных почвенных элементов.

Углерод присутствует в органических тканях. Его присутствие обязательно для питания микрофлоры, мезофауны и фауны. Почвенный углерод является центром действий, от которого зависит плодородие почвы. Когда углерод теряется из-за окисления органического вещества, он восполняется за счет фотосинтеза, который приводит к образованию зеленой массы.

В большинстве почв, используемых для сельского хозяйства, соотношение С / N колеблется между 10:1 и 12:1, т. е. меньше, чем в растительных остатках, где диапазон составляет от 30:1 до 80:1 (таблица 5).

Правильное внесение азотных удобрений на начальном этапе использования системы No-till может быть одним из наиболее значимых феноменов, которые необходимо учитывать при управлении растительными остатками в этой технологии.

Растительные остатки начинают медленно распадаться, как только касаются поверхности почвы. Для расщепления растительных остатков микроорганизмам требуется в большом количестве азот. Если диапазон соотношения С:N слишком велик, микроорганизмам придется извлекать азот из почвы, истощая имеющиеся запасы, и создавать таким образом дефицит N для культур. Подобный феномен часто называют «азотное голодание» и он может серьезно повлиять на урожайность культуры.

Бобовые культуры, фиксирующие азот из атмо­сферы, обладают повышенным содержанием азота в отличие от нефиксирующих культур, например, злаковых, крестоцветных и других. В растительных остатках нефиксирующих культур соотношение С:N будет шире, чем в остатках бобовых. Например, в остатках бобов содержится 1,2-1,6 % N, в остатках кукурузы – 0,7-1 % N, пшеницы – только 0,2-0,6 % азота.

Это значит, что для растительных остатков пшеницы потребуется больше дополнительного азота, чем для кукурузы, а остаткам кукурузы – больше, чем остаткам бобов. Растительным остаткам, содержащим более 1,5 % азота, дополнительное внесение не требуется.

Медленная трансформация растительного органического углерода за счет распада остатков на поверхности практически не изменит большей части изначального содержания азота. Этот процесс проходит медленнее по сравнению с заделанными в почву остатками, поэтому благодаря ему потери молекулярного азота (N3) уменьшаются.

В таких условиях трансформация органического азота в неорганический азот – доступный культурам – будет проходить медленнее, следовательно азот станет доступным для культур также медленнее. Этот феномен нельзя воспринимать как отрицательные последствия внедрения системы No-till, особенно на начальных этапах, когда потребность в азоте максимальная.

При внесении азота на поверхность почвы растительные остатки распадаются быстрее. В данной ситуации на них задерживается часть вносимого азота, и лишь некоторое количество удобрения проходит дальше к растущей культуре. Этот азот вернется в почву, как только начнется распад остатков и минерализация азота. Подобный процесс называется иммобилизацией азота, но это не всегда обозначает, что азот потерян.

Растительные остатки на поверхности впитывают азот двумя способами: первый – физическое впитывание, которое происходит, когда свежие и сухие растительные остатки контактируют с азотом и влажной почвой. Второй способ – биологический – происходит, когда растительные остатки достаточно влажные, чтобы спровоцировать активность микроорганизмов почвы – один из наиболее важных феноменов в системе No-till.

Корректировка соотношения С:N

При управлении растительными остатками, лежащими на поверхности почвы, корректировка соотношения С:N является одной из классических проблем, с которыми сталкиваются фермеры No-till, так как для ее решения требуется внесение дополнительного аммонийного или нитратного азота независимо от потребностей в них культуры.

Азотные формы удобрений необходимо вносить на поверхность почвы (не заделывать), но этот способ не подходит для мочевины, поскольку азот из нее может теряться вследствие улетучивания (таблица 6).

Практическим правилом для соломы пшеницы и других зерновых является 10 кг азотных единиц на гектар на тонну сухого вещества, а для кукурузы – 7 кг азотных единиц на гектар на тонну сухого вещества.

Корректировка соотношения С:Р

В процессе распада органического вещества микроорганизмам также нужен фосфор для осуществления метаболических функций. Однако почва не всегда может удовлетворить эти потребности. Особенно это актуально для вулканических почв из-за низкого количества Р в них, а также почв, в которых этот элемент находится в дефиците.

Потребность в фосфоре для нормального разложения растительных остатков оценивается в 1/2 потребности в азоте. Фосфорит (в форме трикальций фосфата) является полностью натуральным продуктом с высоким содержанием фосфора и кальция. Он легко расщепляется микроорганизмами почвы. Фосфорит является отличной формой фосфора для подкормки почвы в системе No-till.

Кальций и фосфор необходимы для кормления микроорганизмов почвы и симбиотической или другой формы фиксации атмосферного азота. Как мы уже выяснили, биологическая фиксация азота зависит от фосфора, поскольку для фиксации 1 Моля N в симбиозе необходимо 36 Моль АТФ (аденозин трифосфата).

Поэтому, чтобы получить положительный результат, необходимо увеличить количество доступного фосфора.

Эти два химических элемента (N и Р) должны вноситься в почву для корректировки соотношений С:N и С:Р. Несмотря на дополнительные расходы на удобрение, следует помнить, что они инициируют новую жизнь в почве и принесут пользу как в ближайшее время, так и на долгие годы.

Использование растительных остатков на поверхности почвы является основой для почвозащитного и продуктивного сельского хозяйства. В то же время это необходимый фактор управления системой.

Органическое вещество и уровень рН почвы

Кислотность (или щелочность) почвы может влиять на микроорганизмы и, как следствие, на фауну. Этот феномен в большей степени относится к No-till, так как условия жизни в почве улучшаются, когда увеличивается количество растительных остатков и органического вещества.

Увеличение жизни в почве необходимо рассматривать не только в виде правильной подкормки культур, но и как заботу и уход за почвой. Возможно, один из самых важных факторов является поддержание рН на уровне 6,4 и 7,5. Уровень 7 – нейтральный уровень – способствует развитию жизни в почве и, следовательно, питанию культур.

Не все культуры положительно реагируют на нейтральный рН. Существуют сорта, которые более-менее устойчивы при низких или высоких уровнях рН. Примером культур, которые адаптируются к уровню рН ниже 6, являются картофель (Solanum tuberosum L.) и рапс (Brassica napus L.). Кукуруза (Zae mays L.) и соя (Glicine max) не очень хорошо развиваются в кислых почвах.

Для поддержания соответствующего уровня рН в No-till необходимо, чтобы фермер не вносил окисляющих удобрений, а если они все-таки вносятся, следует подсчитывать окисляющий эффект и вносить карбонат кальция или известь в том количестве, которое будет соответствовать степени окисления, производимой удобрением.

На рисунке 5 показано, что реакция на внесение извести зависит (помимо других факторов) от текстуры почвы. Для тяжелого суглинка потребуется больше извести, чем для пылеватого суглинка, а для пылеватого суглинка нужно больше извести, чем для песчаного суглинка.

Количество извести (приблизительно), необходимое
для увеличения рН в почвах с различной текстурой

Чтобы избежать окисления почвы, необходимо всегда добавлять нужное количество карбоната кальция (СаСО3) в мочевину – удобрение, которое широко используется на кислых почвах благодаря его более низкой стоимости по сравнению с другими азотными удобрениями. На практике требуется вносить 160 кг / га карбоната кальция для нейтрализации окисляющего эффекта 100 кг / га мочевины.

Наблюдения за изменениями рН почвы в Чеквене всегда вызывали обеспокоенность. Для меня слово «кислотность» имеет большое значение для управления почвой и культурами. Поскольку моя почва состоит из немного кислого родительского материала, а также при отсутствии субстанции, богатой кальцием и магнием, рН приходилось корректировать каждый раз, когда он становился ниже 6.

Несмотря на то что органические кислоты и соединения аммония производятся в процессе разложения свежего органического вещества, окисление почвы не наблюдалось. Буковые леса ранее покрывали большую часть почвы альфисоль в Чеквене. Изначальный рН почвы был 6,14 из-за потери обменных оснований, которые вымывались зимними осадками (700 мм).

В системе No-till с грамотным управлением растительными остатками происходит нечто аналогичное первичной ситуации. С той только разницей, что зерновые культуры выносят основания или катионы из почвы. Основные удобрения, например, кальций, магний, калий и натрий, обычно не замещаются в почве, что в конечном итоге приводит к снижению рН.

Растительные остатки сами по себе не повышают кислотность. Несмотря на то что кислоты действительно вырабатываются во время распада органического вещества и нитрификация аммонийного азота понижает рН, двуокись углерода (СО2) и его производные, возникающие при окислении органических соединений (дыхание почвы), нейтрализуют это действие.

В Чеквене после 20 лет удобрения пастбищ под No-till навозом домашней птицы уровень рН повысился с 6,3 до 7,2. Эти положительные результаты говорят о том, что органический аммонийный азот (NH4) и его производные не окисляют почву, пока не превратятся в нитраты. В навозе домашней птицы содержатся непереваренные побочные продукты, богатые кальцием.

Присутствие аммиака (NH3) в почве кратковременно, так как он быстро присоединяет один ион водорода и превращается в аммоний (NH4+). Как соединение в удобрении аммоний не окисляется и может быть использован большинством культур.

Однако, если температура почвы выше 10°С, а также в присутствии нитрогеназных энзимов, аммоний быстро окисляется бактериями Nitrosomonas в нитрит (NO2– ), а затем, при участии Nitrobacter – в нитрат (NO3–). Культуры используют азот в основном в форме нитрата, но в процессе этой трансформации выбрасываются два иона водорода (Н+), которые приводят к окислению почвы. Согласно данной теории, внесение минеральных аммонийных удобрений априори окисляет почву.

Это происходит в тот момент, когда выделяемый ион водорода забирает катионы, в основном кальций из обменного комплекса. Впоследствии основные катионы теряются при вымывании (Ремхельд, 1986).

В кислотных почвах необходимо заменять любые не­окисляющие удобрения мочевиной или другими удобрениями, которые содержат аммоний. Можно использовать мочевину, если за два месяца до этого карбонат кальция был разбросан по поверхности почвы, однако удобрение может быть потеряно вследствие улетучивания.

Пинилла и Санхуеза, 2000, предложили следующую химическую реакцию для описания случая, когда карбонат кальция вносят на влажную почву:

CaCO3 + H2O  Ca2 + CO3

CO3 + H2O  HCO3 + OH

HCO3 + H2O  H2CO3 + OH

H2CO3  H2O + CO2

При гидролизации карбоната кальция молекула делится на кальций и карбонат. Карбонат впитывает воду и образует угольную кислоту и один ион гидроксила (ОН-). Затем угольная кислота впитывает воду и образует бикарбонат, который генерирует другой ион гидроксила, образующий воду и СО2 (двуокись углерода). Образование двух молекул ОН- в данном процессе объясняет щелочной эффект карбоната кальция.

Карбонат кальция способен понижать количество водорода (Н+) в почвенном растворе, объединяя его с одним атомом кислорода (О) и производством воды (Н2О). С другой стороны, в этом уравнении изначально выделяется кальций (Са++), обогащающий сумму почвенных оснований, вытесняя протон водорода из обменного комплекса, который может вымываться или объединяться в другие соединения. Все это приводит к улучшению рН почвы.

Когда вносится аммонийное удобрение, особенно мочевина (СО(NH2)2), она гидролизуется посредством почвенной влаги и трансформируется в карбонат аммония СО3(NH4)2 под воздействием почвенного энзима, который называется «уреаза». Карбонат аммония – изначально щелочь – распадается на аммоний (NH4), двуокись углерода (СО2) и воду (Н2О). Азот из аммония может впитываться культурами в небольших количествах, а
бльшая его часть окисляется в нитрат (NO3–), воду (Н2O) и два иона или протона водорода (2Н+) под воздействием нитрифицирующих микроорганизмов. Этот выбрасываемый водород в основном приводит к окислению почвы и потере оснований или катионов, таких как кальций (Са++), магний (Mg++), калий (К+), натрий (Na+) и другие из-за выщелачивания (рис. 6).

Наоборот, аммонийные удобрения и мочевину нельзя вносить на почву с рН выше 7,5. В щелочных почвах происходит реакция, в результате которой молекулы аммония (NH4+) связываются с гидроксилом (ОН–) и превращают аммоний в аммиак и воду. Уравнение выглядит следующим образом:

NH4+OH  NH3+H2O

Потери азота возникают из-за присутствия аммиака, который очень летуч.

Осознав, почему мочевина и аммонийные удобрения окисляют почву, я считаю необходимым не просто учитывать стоимость азотной единицы для оценки эффективности азота и его использования культурами.

Не имеет смысла и неэффективно вносить дешевые удобрения, если мы не понимаем их поведения в почве и пользы для культур.