Минеральное питание растений, удобрения в сельскохозяйственном производстве

 

Минеральное питание растений

 

Организм находится в единстве со средой обитания, из которой он получает необходимую ему для жизнедеятельности энергию и субстраты для построения и динамического обновления биологических структур. В данном пособии рассматривается вопрос формы химических элементов в окружающей растения среде и способы и пути их поступления в организм растения. Минеральноепитаниерастений – это процесс усвоения ими из внешней среды ионов минеральных солей, необходимых для нормальной жизнедеятельности растительного организма.

К элементам минеральногопитаниярастений относят в первую очередь макроэлементы N, Р, S, К, Ca, Mg, а также микроэлементы (Fe, В, Cu, Zn, Mn и др.). В этом списке элементов нет кислорода, углерода и водорода. Это связано с тем, углерод поступает в достаточном количестве из атмосферного пула в виде двуокиси углерода – СО2, водород же поступает в организм растения благодаря разложению воды, при этом высвободившийся кислород выбрасывается в окружающую среду. Минеральноепитаниерастений. складывается из поглощения минеральных веществ в виде ионов, их передвижения по растению и включения в обмен веществ.Одноклеточные организмы и водные растения поглощают ионы всей поверхностью, высшие наземные растения - поверхностными клетками корня, в основном корневыми волосками, о которых говорилось выше.

Ионы сначала адсорбируются на клеточных оболочках, затем проникают в цитоплазму через окружающую её липопротеидную мембрану - плазмалемму. Катионы (за исключением К+) проникают через мембрану пассивно, путём диффузии, анионы, а также К+ (при низких концентрациях) - активно, с помощью молекулярных «ионных насосов», транспортирующих ионы с затратой энергии. Скорость активного транспорта ионов зависит от обеспеченности клетки углеводами и интенсивности дыхания, скорость пассивного поглощения - от проницаемости биологических мембран, разности концентраций и электрических потенциалов между средой и клеткой. Проницаемость мембраны для разных ионов неодинакова. Так, для катиона К+ она в 100 раз выше, чем для Na+, и в 500 раз выше, чем для анионов.

Поглощённые ионы передвигаются от клетки к клетке через соединяющие их цитоплазматические перемычки - плазмодесмы. У высших растений в корне и стебле имеется специальная сосудистая система для транспорта минеральных веществ и их органических соединений (синтез которых частично происходит и в корне) в листья. По мере старения нижних листьев некоторые минеральные вещества оттекают из них в растущие органы растения, где могут использоваться повторно.

Каждый элемент минеральногопитаниярастений играет в обмене веществ определённую роль и не может быть полностью заменен другим элементом. Азот входит в состав белков - основных веществ цитоплазмы, а также в состав амидов, нуклеиновых кислот, гормонов, алкалоидов, витаминов (B1, B2, B6, PP) и хлорофилла. Азот поглощается в форме аниона NO-3 (нитрата) и катиона NH+4(аммония), которые образуются при разложении опада микроорганизмами почвы.

Молекулярный азот (N2), который является основной составной частью воздуха (79 %), может усваиваться только некоторыми видами низших растений.Нитраты с помощью фермента нитратредуктазы восстанавливаются до аммония. Аммоний соединяется с органическими кислотами, образуя аминокислоты, которые затем включаются в белки.

Фосфор входит в состав нуклеопротеидов клеточного ядра, фосфолипидов клеточных мембран, фосфатидов и фосфорных эфиров сахаров. Особенно важно участие фосфора в фотофосфорилировании, в процессе которого солнечная энергия, аккумулируемая в форме богатых энергией связей аденозинтрифосфата (АТФ), используется на усвоение CO2 из воздуха и образование органических веществ. В форме макроэргических связей АТФ запасается также энергия, выделяемая при дыхании за счёт окисления органических веществ, образуемых в процессе фотосинтеза.

Фосфор поглощается в форме аниона ортофосфорной кислоты (PO3-4, или фосфата) и включается за сотые доли секунды в органические соединения в неизменном виде. Вместе с тем в растениях всегда содержится много неорганического фосфата (его физиологическое значение не ясно).

Сера, как и азот, входит в состав всех белков, а также пептидов (глутатион), некоторых аминокислот (цистин, цистеин, метионин) и эфирных масел. Сера поглощается растениями в форме аниона (SO2-4, или сульфата), который в клетках восстанавливается, образуя дисульфидные (—S—S—) и сульфгидрильные (—SH) группы (последние образуют связи, закрепляющие конфигурацию белковой макромолекулы). Как правило, сера не является дефицитным элементом для растений, которые не нуждаются в подкормке соединениями серы.

Калий поглощается в форме катиона К+и в такой же форме остаётся в клетке, не образуя прочных органических соединений. Он вступает лишь в слабые адсорбционные взаимодействия с белками и в обменные реакции с органическими кислотами. В отличие от N, Р и S, непосредственно участвующих в создании органического материала растительной клетки, калий не является в полном смысле питательным элементом. Он повышает водоудерживающую способность цитоплазмы, интенсивность фотосинтеза, отток ассимилятов, участвует в функционировании устьиц и др.

Кальций и магний поглощаются в форме двухвалентных катионов: Ca2+ и Mg2+. Основная функция Ca состоит в стабилизации клеточных структур. Ионы Ca2+ («кальциевые мостики») связывают между собой молекулы липидов, обеспечивая их упорядоченное расположение в клеточных мембранах. Соединения кальция с пектиновыми веществами склеивают оболочки соседних клеток. В отличие от других элементов минеральногопитаниярастений, Ca в растении малоподвижен. Он практически не реутилизируется и накапливается в стареющих органах. Ca необходим для поддержания структуры рибосом, в которых происходит синтез белка. Mg входит в состав хлорофилла, активирует ферменты, переносящие фосфат с АТФ на молекулу сахара. Железо входит в состав ряда ферментов, в том числе дыхательных (цитохромов). Оно участвует в синтезе хлорофилла, хотя и не входит в его состав. Возможно также минеральногопитаниярастений через листья.

Вместе с воздушным питанием (фотосинтезом) минеральноепитание растений составляет единый процесс обмена веществ между растением и средой. Оно влияет на все физиологические процессы (дыхание, рост, развитие, фотосинтез, водный режим и т. д.) и, в свою очередь, зависит от них. Поэтому одно из наиболее успешных средств управления продуктивностью культурных растений заключается в регулировании минеральногопитаниярастений, поддерживая его в оптимальном режиме. Обычно это осуществляется с помощью удобрений.


Роль азота в питании растений

В живом организме азот является одним из основных биогенных элементов, входящих в состав важнейших веществ живых клеток - белков и нуклеиновых кислот. Однако количество азота в организме сравнительно невелико - от 1 до 3% на сухую массу. Незначительно и относительное содержание азота в материнской породе – основной пул этого элемента – атмосфера. Находящийся в атмосфере молекулярный азот могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли Значительные запасы азота сосредоточены в почве в форме различных минеральных (аммонийные соли, нитраты) и органических соединений (азот белков, нуклеиновых кислот и продуктов их распада, то есть ещё не вполне разложившиеся остатки растений и животных).

Растения усваивают азот из почвы как в виде неорганических, так и некоторых органических соединений. В природных условиях для питания растений большое значение имеют почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые минерализуют органический азот почвы до аммонийных солей. Нитратный азот почвы образуется в результате жизнедеятельности открытых С. Н. Виноградским в 1890 нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммиак и аммонийные соли до нитратов. Часть усвояемого микроорганизмами и растениями нитратного азота теряется, превращаясь в молекулярный азот под действием денитрифицирующих бактерий.

Растения и микроорганизмы могут усваивать как аммонийный, так и нитратный азот, восстанавливая последний до аммиака и аммонийных солей. Микроорганизмы и растения активно превращают неорганический аммонийный азот в органические соединения азота - амиды (аспарагин и глутамин) и аминокислоты.

Как показали Д. Н. Прянишников и В. С. Буткевич, азот в растениях запасается и транспортируется в виде аспарагина и глутамина. При образовании этих амидов обезвреживается аммиак, высокие концентрации которого токсичны не только для животных, но и для растений. Амиды входят в состав многих белков как у микроорганизмов и растений, так и у животных. Синтез глутамина и аспарагина путём ферментативного амидирования глутаминовой и аспарагиновой кислот осуществляется не только у микроорганизмов и растений, но в определённых пределах и у животных.

Синтез аминокислот происходит путём восстановительного аминирования ряда альдегидокислот и кетокислот, возникающих в результате окисления углеводов (В. Л. Кретович), или путём ферментативного переаминирования (А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман, 1937). Конечными продуктами усвоения аммиака микроорганизмами и растениями являются белки, входящие в состав протоплазмы и ядра клеток, а также отлагающиеся в виде запасных белков.

Животные и человек способны лишь в ограниченной мере синтезировать аминокислоты. Они не могут синтезировать 8 незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), и потому для них основным источником азота являются белки, потребляемые с пищей, т. е., в конечном счёте, - белки растений и микроорганизмов.

Белки во всех организмах подвергаются ферментативному распаду, конечными продуктами которого являются аминокислоты. На следующем этапе в результате дезаминирования органический азот аминокислот вновь превращается в неорганический аммонийный азот. У микроорганизмов и особенно у растений аммонийный азот может использоваться для нового синтеза амидов и аминокислот. У животных обезвреживание аммиака, образующегося при распаде белков и нуклеиновых кислот, осуществляется путём синтеза мочевой кислоты (у пресмыкающихся и птиц) или мочевины (у млекопитающих, в том числе и у человека), которые затем выводятся из организма.

С точки зрения обмена азота растения, с одной стороны, и животные, и человек, с другой, отличаются тем, что у животных утилизация образующегося аммиака осуществляется лишь в слабой мере - большая часть его выводится из организма; у растений же обмен азота «замкнут» - поступивший в растение азот возвращается в почву лишь вместе с самим растением.


Превращения азота в почве

Образующиеся в растениях азотсодержащие органические соедине­ния по трофическим цепям попадают в организм гетеротрофов, а также в почву в виде опада, после отмирания растений и животных. В почве они подверга­ются распаду при участии сапрофагов, минерализуются и используются затем другими растениями. Конечным звеном разложения являются организмы - аммонификаторы, образующие аммиак (NН3). Аммиак включается в реакции нитрификации, т. е. образования нитритов и их превращения в нитраты. Таким образом, цикл круговорота азота в почве поддерживается постоянно.

В то же время часть азота возвращается в атмосферу благодаря дея­тельности бактерий - денитрификаторов, разлагающих нитраты до молеку­лярного азота (N2). В результате бактериальной денитрификации ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50 — 60 кг азота.

В составе сухого вещества растений содержание азота не очень большое, от 1 до 3%. Однако азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот – основных биополимеров клетки, без которых невозможна жизнь. В почве связанный азот представлен четырьмя видами соединений: азотом аммонийных солей (NH4+); азотом нитратов (NО3-); органическим азотом белков и нуклеиновых кислот в виде остатков распада растений и животных, а также продуктов их расщепления – аминокислот, пептидов, аминов и амидов, а также азотом гумуса. Известно, что неорганические формы азота – аммонийный и нитратный азот, намного лучше усваиваются растениями, чем его органические соединения. Исключение составляют вещества, от которых легко отщепляется аммонийный азот – мочевина, аспарагин и глутамин. Именно почвенные микроорганизмы минерализуют органический азот почвы, превращая его в аммиак – то исходное соединение, которое растения присоединяют к углеводам и образуют аминокислоты и белки.


Круговорот азота

Общая направленность биогеохимического круговорота азота на планете – накопление его в молекулярной форме N2 в атмосфере, около 78%. Но живое вещество и почвы противостоят этой тенденции. В биосфере содержится примерно 150 млрд. тонн азота, связанного в органических соединениях почвенного покрова – 1,5 · 1011 тонн, в биомассе растений - 1,1 · 109 тонн и биомассе животных – 6,1 · 107тонн.

Азот входит в состав многих органических соединений, прежде все­го белка. В молекуле белка он образует, прочные амидные связи с углеро­дом или соединяется с водородом, присутствуя в виде аминных или амидных групп. Образование амидных (пептидных) связей (С — N-связи) является главным механизмом синтеза белковых молекул и пептидов, составляю­щих сущность всего живого на Земле.

Схема, отражающая круговорот азота, приведена на рисунке 15.

clip_image002

Рисунок 15 - Схема круговорота азота. Выделены основные этапы и приведены оценки количества азота, участвующего в основных потоках. Числа в скобках - тераграммы (Тг = 106т) в год (по Ю. Одуму, 1986)

Источником азота для автотрофов являются нитраты (соли азотной кислоты НNО3), а также молекулярный азот атмосферы. Азот нитратов через корневую систему растений попадает по проводящим путям в лис­тья, где используется для синтеза растительного белка.

Второй путь, которым азот попадает в организмы - прямая фикса­ция азота из атмосферы. Это явление совершенно уникально и свой­ственно прокариотам - безъядерным микроорганизмам. До 1950 г. были известны всего три таксона микроорганизмов, способных связывать ат­мосферный азот:

- свободноживущие бактерии родов Azotobacter и Clostridium;

- симбиотические клубеньковые бактерии рода Rhizobium

- сине-зеленые водоросли (цианобактерии) родов Anabaena, Nostoc, а также другие члены порядка Nostocales.

Затем были обнаружены и другие виды организмов, способных к фик­сации азота из атмосферы; пурпурные бактерии рода Rhodospirilum, а также почвенные бактерии, близкие к Pseudomonas, актиномицеты из корневых клубеньков ольхи (Alnus, Ceanothus, Myrika и другие). Было так же установлено, что сине-зеленые водоросли рода Anabaena (надо подчеркнуть, что эти водоросли обладают способностью к гетеротрофному питанию и имеют другие признаки, позволяющие относить их с одинаковые успехом также к бактериям) могут быть симбионтами грибов, мхов, па­поротников и даже семенных растений, и способность к фиксации азота является полезной для обоих участников. Эта способность служит причиной того, что при выращивании риса и бобовых на одном и том же поле в течение нескольких лет можно получать хорошие урожаи, не внося азотных удобрений.

Биохимический механизм прямой фиксации атмосферного азота осу­ществляется при участии фермента нитрогеназы, катализирующей рас­щепление молекулы азота (N2). Процесс этот требует значительных затрат энергии на разрыв тройной связи в молекуле азота. Реакция идет с учас­тием молекулы воды, в результате чего образуется аммиак (NН3), напри­мер, в клубеньках бобовых, На фиксацию I г азота бактерии расходуют около 10 г глюкозы (около 40 ккал), синтезированной в ходе фотосинте­за, т. е. эффективность составляет всего 10 % , более подробно этот процесс будет рассмотрен дальше.

Приведенный пример иллюстрирует также выгоду симбиоза как стратегии «сотрудничества», способствующей выживанию. Нетрудно прийти к идее перспективности выведения таких сортов сельскохо­зяйственных культур, которые, используя симбиоз с азотфиксирующими микроорганизмами, давали бы хорошие урожаи без применения удобрений.

Приостановление круговорота азота может происходить вследствие его накопления в глубоководных океанических осадках. При этом азот выключается из кругооборота на несколько миллионов лет. Потери ком­пенсируются поступлением газообразного азота при вулканических из­вержениях. Ю. Одум полагает, что извержения вулканов в этом смысле полезны, и, если «блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода вполне может погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений».

Круговорот азота является примером хорошо забуференного круго­ворота газообразных веществ. Он является важным фактором, лимитиру­ющим или контролирующим численность организмов. Круговорот азота достаточно подробно изучен. Известно, в частно­сти, что из 109т азота, которые ежегодно усваиваются в биосфере, около 80 % возвращается в круговорот с суши и из воды, и лишь 20 % необходи­мого количества - это «новый» азот, поступающий из атмосферы с дож­дем и в результате азотфиксации. Напротив, из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно; боль­шая же часть теряется с собираемым урожаем в результате выноса водой и денитрификации.

В естественных биогеоценозах, благодаря уравновешивающимся составляющим фитоценоза, складывается нулевой баланс азота. Он обеспечивается такими процессами, как разложение растительных остатков и гумуса, синтезом de novo органических веществ, аммонификацией, денитрификацией, азотфиксацией.

В агроценозах, когда в экосистеме резко нарушается биологическое равновесие, ситуация совершенно другая: после распахивания целинных земель азотфиксация падает, и складывается отрицательный баланс азота. Земледелие Сибири, где зачастую в старых агроценозах возделывается монокультура пшеницы без внесения удобрений, показывает положительный баланс по азоту. Тот факт, что на этих полях урожай в благоприятные годы достигает 20 ц/га, доказывает, что здесь происходит активная азотфиксация, частично компенсирующая потери азота за счет урожая и денитрификации.


Роль фосфора в питании растений

Фосфор является необходимым элементом питания растений. Он входит в состав нуклеиновых кислот, мембран, фосфолипидов. Фосфор является элементом энергосистемы, входит в состав макроэргических соединений. Как запасающее вещество откладывается в семенах растений. Если в минеральном питании недостает фосфора, то падает активность фотосинтеза, дыхания, так как нарушается синтез хлорофилла.

Давно замечено, что в первые периоды роста сельскохозяйственные культуры поглощают фосфаты интенсивнее, чем в последующие. Фосфорное голодание растений в ранний период роста накладывает настолько длительный угнетающий эффект, что его невозможно полностью преодолеть даже нормальным последующим питанием. Мало того, такие голодавшие в начале развития культуры реагируют отрицательно на обильное фосфатное питание в дальнейшем.

Проблема фосфора встает одной из самых острых в земледелии. Объясняется это двумя основными причинами – дефицитом геологических запасов этого элемента и быстрым и прочным связыванием его в почве при внесении с удобрениями. Именно по этому, усвояемость сельскохозяйственными растениями фосфора удобрений не превышает 25% и подавляющее его количество фиксируется почвой, превращаясь в труднодоступные для растений фосфаты.

 

Содержание и формы соединений фосфора в почвах

Валовые запасы фосфора в почвах довольно значительны. Культурные почвы могут содержать 10-20 и даже 30 тонн этого элемента на гектар пахотного слоя. Однако, он находится в водонерастворимой, мало доступной для растений форме. Главным источником фосфора для растений в природных условиях служат соли ортофосфорной кислоты.

Трехосновная, ортофосфорная кислота может диссоциировать с образованием трех анионов: H24-, HРО42 - и PО43 -. В условиях слабокислой реакции почвы, в которых растения чаще всего возделывают, наиболее распро­странен первый, но представлен и второй из перечисленных ионов.

Все соли встречающихся в почве одновалентных катионов (NН4+, Na+, K+) и ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в воде и легко усваиваются сельскохозяйственными культурами. Растворимы также соли одновалентных катионов и метафосфорной кислоты. Фосфаты двухвалент­ных катионов (Са2+, Mg2+) растворимы в воде лишь в первой ступени за­мещения у ортофосфорной кислоты и плохо растворимы даже в этом замещении у метафосфорной кислоты.

Двузамещенные соли двух­валентных катионов и у ортофосфорной кислоты нерастворимы в воде, но растворимы в слабых кислотах, в том числе органических, выделяемых корнями в почву и появляющихся в ней в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Вследствие этих причин двузамещенные соли двухвалентных катионов ортофосфорной кислоты представляют важный источник усвояемого фосфора для растений.

Трехзамещенные фосфаты двухвалентных катионов большинством сельскохозяйственных растений усваиваются гораздо труднее, так как эти соли отличаются нерастворимостью в воде и весьма ограниченной раство­римостью в слабых кислотах, да и то преимущественно в свежеосажден­ном виде, когда они находятся в аморфном состоянии. По мере же «старе­ния» солей растворимость 'резко падает и доступность их фосфора расте­ниям уменьшается.

Существует, однако, группа культур, способных питаться фосфором и при наличии в среде только трехзамещенных фосфатов кальция или есте­ственных фосфоритов в тонкоразмолотом виде. К ним принадлежат люпин, гречиха, горчица, эспар­цет, донник, горох и конопля. Способность перечисленных растений питаться фосфором труднорастворимых фосфатов прежде всего объясняется кислотностью корневых выделений. Установлено, что в растворе, окружающем корневые волоски люпина, рН составляет 4-5, а в аналогичной прикорневой зоне клевера 7-8.


Круговорот фосфора

Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологи­ческие эпохи. Минеральный фосфор входит в состав многих горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их гипергенеза, отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в глубоководных илах.

У животных фосфор в виде органических соединений (с белками, в частности) входит в состав костей и других тканей. Он также играет роль в энергетических процессах запасания энергии клеток в виде аденозинтрифосфорной и аденозиндифосфорной кислот. В результате разложения мертвых организмов и минерализации орга­нических соединений фосфор в виде фосфатов (солей ортофосфорной кислоты) вновь используется растениями и тем самым снова вовлекается в круговорот.

Выведение фосфора из круговорота происходит вследствие его накопле­ния в донных осадках. Круговорот фосфора является примером простого осадочного цикла с недостаточной «забуференностью» и нарушенными меха­низмами саморегуляции вследствие антропогенного воздействия на окружаю­щую среду. Существует мнение, что механизмы возвращения фосфора в круговорот недостаточны и не возмещают потерь, связанных с техногенезом.

Деятельность человека по лову рыбы и птиц ведет к нарушению ба­ланса фосфора. По данным Дж. Хатчинсона, на сушу в результате рыбо­ловства возвращается всего около 60 000 т элементарного фосфора. Добы­вается на удобрения ежегодно 1 - 2 млн т фосфорсодержащих пород, причем большая часть из этого количества смывается водой и выводится из кругооборота. В настоящее время вызывает озабоченность увеличение концентра­ции фосфатов в водных экосистемах, что приводит к их интенсивному зарастанию, деградации экосистем и в конечном итоге к их гибели.

Фосфор широко используется в агротехнике в виде фосфорных (ми­неральных) удобрений с целью повышения плодородия почвы и урожай­ности сельскохозяйственных культур. Таким образом, минеральный фос­фор попадает в водные и наземные экосистемы - вследствие выноса растворенных фосфатов с сельскохозяйственными сточными водами и стока с полей, где применялись фосфорные удобрения, а также сброса город­ских и промышленных сточных вод.

По данным Дж. Хатчинсона, время оборота фосфора в воде малых озер (площадью 0,3 - 0,4 км2 и глубиной 6 - 7 м) составляет 5,4 - 7,6 суток, а больших (площадью 2 км2, глубиной около 4 м) - 17 суток. Вре­мя оборота в донных осадках намного больше и составляет соответствен­но примерно 40 и 176 суток. Разница в величине показателя, по-видимо­му, объясняется тем, что в малых озерах отношение поверхности донных осадков к объему воды больше. Таким образом, в больших, но не глубоко­водных водоемах фосфор депонируется, что сильно усложняет борьбу с их зарастанием.


Роль калия в питании растений

Калий в организме - один из важнейших биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Многие морские организмы извлекают калий из воды. Растения получают его из почвы. В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его во много раз меньше. В клетке калий также распределён неравномерно.

Ионы калия поддерживают осмотическое давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия. тесно связан с углеводным обменом, ионы К+ влияют на синтез белков. К+ в большинстве случаев нельзя заменить на Na+. Клетки избирательно концентрируют К+. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К+ из клеток, часто в обмен на Na+.

Ферменты фосфорфруктокиназа и пируваткиназа, участвующие в переносе богатых энергией фосфатных остатков, для проявления своей активности также требуют катион калия. Калий повышает активность амилазы, сахаразы и протеолитических ферментов. Недостаток его приводит к дезорганизации обмена веществ в растительном организме.

В растении калий, по-видимому, находится в ионной форме. Во всяком случае, не известны органические соединения, синтезируемые в организмах, составной частью которых являлся бы катион калия. Не менее 80% его находится в клеточном соке растений и извлекается водой. Меньшая часть калия адсорбирована коллоидами и около 1% поглощается необменно митохондриями в протоплазме. Содержится он главным образом в протоплазме и вакуолях. В ядре и пластидах калия нет.

В растениях калий также распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20-30 г/кгсухого вещества). При недостатке калия в почвах замедляется рост растений, повышается заболеваемость. Калий улучшает качество сельскохозяйственной продукции: повышается накопление сахаров в сахарной свекле и крахмала в клубнях картофеля. В последнем случае более эффективен серно-кислый калий. У льна и конопли увеличиваются выход и качество волокна, у зерновых культур повышается натурный вес зерна, увеличивается масса 1000 зерен. Значение калия и основные его функции в жизни растений показаны на рисунке 16.

При калийном голодании снижается устойчивость картофеля, овощей и сахарной свеклы к грибковым заболеваниям как в период роста, так и во время хранения в свежем виде. При недостатке калия у злаковых культур соломина становится менее прочной, хлеба полегают, а это приводит к снижению урожая, ухудшает выполненность зерна. Внесение калийных удобрений повышает содержание водо-растворимых форм калия в почве, подавляет развитие корневой гнили (Helminthosporiumsativum) и снижает инфекционный потенциал почвы.

Различные сельскохозяйственные культуры потребляют неодинаковое количество калия. Сравнительно много его потребляют плодово-ягодные культуры, сахарная свекла, капуста, корнеплоды, картофель, клевер, люцерна, подсолнечник, гречиха, кукуруза и зернобобовые. Меньше калия требуется для формирования урожая зерновых культур. В отличие от азота и фосфора калия больше в вегетативных, чем в репродуктивных органах растений (семенах).

clip_image004

Рисунок 16 - Основные функции калия в жизни растений

Например, в соломе озимой пшеницы, ржи, ячменя калия почти
в 2 раза больше, а в стеблях кукурузы почти в 5 раз больше, чем в зерне. У некоторых зернобобовых культур калия в зерне много, но если учесть валовые урожаи зерна и соломы, то, как правило, больше его выносится с соломой, чем с зерном. В нетоварной части урожая калия больше, чем в товарном зерне, за исключением зернобобовых культур – таблица 5

При правильном и полном использовании органических отходов калий возвращается в почву в больших количествах, чем азот и фосфор. Однако для создания оптимального калийного питания растений при высоком уровне азотного и фосфорного, как правило, необходимо вносить в почву промышленные калийные удобрения. Калий почвы является основным источником его для питания растений. Валовое содержание его в почве часто намного превышает содержание азота и фосфора. Это в значительной мере определяется характером материнской породы.

Таблица 5 - Среднее содержание калия в урожае важнейших сельскохозяйственных культур, % к общей массе

Культура

Зерно

Солома

Культура

Зерно

Солома

Озимая пшеница

0,50

0,90

Соя

1,26

0,50

Озимая рожь

0,60

1,00

Вика

0,80

0,63

Кукуруза

0,37

1,64

Кормовые бобы

1,29

1,94

Ячмень

0,55

1,00

Синий люпин

1,14

1,77

Овес

0,50

1,60

Лен (семена)

1,00

0,97

Просо

0,50

1,59

Люцерна (сено)

1,50

Гречиха

0,27

2,42

Клевер (сено)

1,50

Горох

1,25

0,50

     

В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют калию, и способны к его замещению, при недостаточных концентрациях последнего. Ионы Li+ и Na+ - антагонисты К+, поэтому важны не только абсолютные концентрации К+ и Na+, но и оптимальные соотношения K+/Na+ в клетках и среде. Естественная радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40K.

Калий, наряду с азотом и фосфором – один из важнейших элементов минерального питания, нормируемых в агрономии. Норма калийных удобрений зависит от типа сельскохозяйственной. культуры и почвы.


Состояние калия в почве

В земной коре его содержится 2,14%. Не меньше его бывает в осадочных породах, которые являются материнскими для многих почв. Количество калия в почве в основном определяется ее гранулометрическим составом. В глинистых и суглинистых почвах его содержание достигает 2% и более – приложение Б. Это объясняется тем, что в тяжелых почвах он входит в состав минералов, представленных главным образом в глинистых частицах. Значительно меньше калия в песчаных, супесчаных и особенно в торфяных почвах. Количество его в этих почвах снижается до 0,1%.

По мере увеличения дисперсности частиц гранулометрического состава почвы содержание калия в ней возрастает. Это можно показать на примере оподзоленной тяжелосуглинистой почвы Долгопрудной агрохимической опытной станции им. Д.Н. Прянишникова и обыкновенного суглинистого чернозема Института земледелия центральночерноземной полосы им. В.В. Докучаева – таблица 6.

Таблица 6 - Содержание калия в отдельных фракциях гранулометрического состава почв, %

Почва

Крупная пыль

Средняя пыль

Тонкая
пыль

Ил

Дерново- подзолистая
Черноземная

2,54
1,70

2,94
1,96

3,22
2,35

3,11
3,43

Калий илистой фракции наиболее доступен растениям, так как содержится преимущественно в обменном состоянии. Валовое содержание калия в почве редко характеризует обеспеченность им растений, так как в почве бывает лишь около 1% валовых запасов, доступных растениям. Поэтому об обеспеченности растений калием на разных почвах нужно судить не по общему процентному содержанию его в почве, а по соотношению между формами его соединений. Валовое содержание калия в подпахотном слое дерново-подзолистой почвы и переходных к ней часто бывает более высоким, чем в пахотном – таблица 7.

По доступности растениям все соединения калия в почве можно распределить на пять групп:

-  калий различных минералов почвы, алюмосиликатов. В этой форме содержится наибольшее количество калия. Больше его в ортоклазе, меньше – в мусковите, биотите, глауконите, нефелине и лейците. Эта форма калия труднодоступна растениям. В 1947 г. были выделены из почвы бактерии, названные силикатными, способные разлагать ортоклаз. Некоторые исследователи считают, что они играют положительную роль в калийном питании растений. Есть предположение, что часть калия ортоклаза и лейцита как наиболее стойких к кислотам минералов может переходить в доступную форму благодаря микоризе некоторых многолетних культур.

Более доступен растениям калий мусковита, биотита и нефелина. Часть его переходит в усвояемое растениями состояние в результате обменного разложения с солями почвенного раствора. Некоторое количество калия этих минералов может переходить в доступное состояние в результате действия на них углекислоты и некоторых органических кислот, выделяемых корнями растений.

Таблица 7 - Содержание калия в пахотном и подпахотном слоях различных почв, %

Почва

Место взятия образца

Содержание калия
в слое

А (пахотный)

Б (под-пахотный)

Горно-тундровая

Хибины

2,87

3,37

Дерново-подзолистая

Ленинградская обл.

3,10

3,78

Серая лесостепная

Тульская обл.

2,81

3,07

Чернозем

Каменная степь (Воронежская обл.)

2,64

2,13

Светло-каштановая

Северный Кавказ

2,67

2,38

Серозем

Ставропольский край

2,34

2,14

Краснозем

район Батуми (Аджария)

0,52

0,22

В зависимости от типа почвы переход калия из необменных форм в обменные протекает с различной интенсивностью. На дерново-подзолистых почвах эти величины составляют ежегодно 15–30 кг/га, на выщелоченных черноземах – около 60 кг/га.

- калий почвенных коллоидов. Эта форма – главный источник калийного питания растений. В почве его может быть 5–30 мг/100 г. Количество его в почве в процентах от валового содержания зависит от типа и подтипа почвы, особенно ее гранулометрического состава. Например, на супесчаных почвах эта форма калия составляет лишь 0,8%, на суглинистых – 1,5, а на черноземах и сероземах – 1–3%.

Доля калия в сумме поглощенных оснований не может свидетельствовать о степени обеспеченности им растений. Например, по данным К.К. Гедройца, в пахотном слое (0–20 см) суглинистых черноземов (Тульская обл.) калия было 2,7%, а в оподзоленном суглинке (Смоленская обл.) – 6,1% от всей суммы поглощенных оснований. Емкость же поглощения в первом случае составила 54,8, во втором – 6,21 ммоль100г почвы. Поэтому обменного калия в черноземе было 70,65, а в оподзоленном суглинке – только 17,9 мг/100 г почвы.

Одна из важнейших задач агрохимии – установление степени участия обменного калия почвы в формировании урожая. Растения используют лишь часть обменного калия в процессе вегетации в зависимости от свойств почвы, биологических особенностей растений и погодных условий. Объективные данные о потребности растений в калийных удобрениях можно получить при использовании химических методов и постановке массовых полевых опытов в конкретных почвенно-климатических условиях. Небольшая часть калия (1–5 мг/кг почвы) находится в почвенном растворе в виде солей угольной, азотной, фосфорной, серной, соляной и других кислот.

- водорастворимый калий. Содержание этой формы элемента составляет 1/5–1/10 часть от количества К2О, находящегося в почве в обменном состоянии. В пахотном слое черноземов его около 0,02–0,06 ммоль/100 г почвы, в солонцеватых почвах – 0,08–0,10, в дерновоподзолистых – 0,04–0,09 ммоль/100 г почвы. В почвенном растворе редко содержится более 0,1 ммоль (4,7 мг) К2О/100 г почвы. В неудобренной дерново-подзолистой почве ТСХА в течение весенне-летнего периода количество водорастворимого калия колебалось от 1,5 до 5 мг/кг почвы, или 4,5–18 кг/га.

Водорастворимый калий наиболее доступен для питания растений. Появляется он в почве главным образом вследствие химического и биологического воздействия на почвенные минералы, а также их гидролиза. Например, минералы могут разрушаться под воздействием корневых выделений растений, кислых продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, в том числе и азотной кислоты, накопляемой нитрифицирующими бактериями. Часть калия может переходить из обменного состояния в раствор в результате вытеснения его из поглощающего комплекса различными солями, в том числе и вносимыми в почву удобрениями.

- калий, входящий в состав плазмы микроорганизмов. В дерново-подзолистой почве количество его достигает 40 кг К2О на  1 га. В доступную форму этот калий переходит лишь после отмирания микробов. Однако нельзя забывать, что наряду с процессом отмирания микроорганизмы интенсивно размножаются. А для этого требуются все питательные элементы, в том числе и калий. Поэтому трудно судить, какое количество калия выделяется при отмирании микроорганизмов и доступно растениям, а также поглощается в процессе их размножения. Эти вопросы пока слабо изучены. Калий содержится также в растительных, животных, корневых и пожнивных остатках, навозе и других органических веществах, попадающих в почву. После их разложения он становится доступным растениям.

- калий, фиксированный почвой. В почве протекают не только процессы превращения калия из труднорастворимых форм в обменную и водорастворимую, но и процессы закрепления калия в необменном состоянии, т.е. фиксация его почвой. Этот процесс активно идет при переменном смачивании и подсушивании почвы. Почва тяжелого гранулометрического состава, содержащая большое количество тонкодисперсных фракций, отличается повышенной фиксацией калия. Особенно активно калий фиксируется при наличии в почве глинистых минералов группы монтмориллонитов и гидрослюд, которым свойственна внутрикристаллическая адсорбция катионов. Каолинитовая же группа глинистых минералов не обладает этим свойством.

Различные типы почв обладают неодинаковой способностью закреплять калий в необменном состоянии. Наиболее интенсивно калий фиксируется в солонцах. Предполагается, что пептизация, вызываемая подщелачиванием, увеличивает численность коллоидных частиц в глинистых минералах и тем самым способствует вхождению катионов калия внутрь их кристаллической решетки. Черноземы фиксируют калий лучше, чем дерново-подзолистые почвы.

Повышенное количество органического вещества в почве, а также известкование кислых почв усиливают закрепление калия в необменной форме. Систематическое внесение калийных удобрений снижает фиксацию калия почвой, так как фиксирующая способность почвы не беспредельна. Из всех катионов, имеющих значение в питании растений, фиксируются аммоний и калий. Фиксация одного из этих элементов предотвращает и даже исключает фиксацию другого.

Фиксирующая способность почвы проявляется до определенного предела. Фиксация калия почвой резко снижает коэффициент использования его из вносимых удобрений. Например, на маршевых (наносных) почвах Голландии фиксируется 21–59% вносимого на протяжении многих лет калия. В Канаде вследствие фиксации калия почвой растения использовали лишь 25–48% этого элемента, вносимого с минеральными удобрениями.

Больше всего фиксированного калия находится в пахотном слое почвы. Систематическое применение удобрений повышает содержание различных форм калия по сравнению с неудобренными вариантами. Однако характер превращения калия в значительной степени зависит от почвенных и климатических условий. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах заметно повышается количество обменного калия. Например, в почвах Долгопрудной агрохимической опытной станции за 36 лет оно увеличилось на 8–10 мг/100 г почвы. Содержание необменного калия возрастало незначительно, что объясняется отсутствием условий для его фиксации (избыточное увлажнение, низкая температура, кислая реакция и др.).

Обменный калий при систематическом внесении удобрений на этих почвах накапливается не только в пахотном, но и в более глубоких слоях. На черноземах в связи с высокой насыщенностью двухвалентными катионами обменный калий почти не накапливается. Преобладает необменное поглощение калия, обусловленное благоприятными условиями его фиксации (составом глинистых минералов, отсутствием промывного режима, большим количеством органического вещества и др.). Увеличение количества необменного калия обычно наблюдается в пахотном и подпахотном слоях почвы, достигая значительных величин.

На сероземах систематическое внесение удобрений приводит к существенному увеличению содержания обменного и необменного калия. Орошение способствует накоплению обменного и необменного калия по профилю почвы до глубины 1 м.

Фиксация калия из удобрений на дерново-подзолистых почвах невелика и редко превышает 200 кг/га. В черноземах поглощение калия достигает значительных размеров и составляет 300–700 кг К2О на 1 га. Чем меньше длительность применения удобрений и количество внесенного калия, тем больше его относительная фиксация. Очевидно, внесением высоких доз калийных удобрений на черноземах можно достичь полного насыщения их емкости фиксации и, не опасаясь закрепления калия, применять получивший в настоящее время признание способ периодического внесения калийных удобрений.


Роль микроэлементов в питании растений

К микроэлементам относят химические элементы, присутствующие в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Термин микроэлементы применяется и для обозначения некоторых химических элементов, содержащихся в почвах, горных породах, минералах, водах. Точные количественные критерии для различения микроэлементов от макроэлементов не установлены. Некоторые макроэлементы почв и горных пород (Al, Fe и др.) являются микроэлементами для большинства животных, растений, человека.

В живых организмах отдельные микроэлементы были обнаружены ещё в начале 19 в., но их физиологическое значение оставалось неизвестным. В. И. Вернадскийустановил, что микроэлементы не случайные компоненты живых организмов и что их распределение в биосфере определяется рядом закономерностей. По современным данным, более 30 микроэлементов. считаются необходимыми для жизнедеятельности растений и животных. Большинство микроэлементов - металлы (Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, Со и другие), некоторые - неметаллы (I, Se, Br, F, As).

В организме микроэлементы входят в состав разнообразных биологически активных соединений: ферментов (например, Zn - в карбоангидразу, Cu - в полифенолоксидазу, Mn - в аргиназу, Mo - в ксантиноксидазу; всего известно около 200 металлоферментов), витаминов (Со - в состав витамина B12), гормонов (I - в тироксин, Zn и Со - в инсулин), дыхательных пигментов (Fe - в гемоглобин и другие железосодержащие пигменты, Cu - в гемоцианин). Действие микроэлементов, входящих в состав указанных соединений или влияющих на их функции, проявляется главным образом в изменении активности процессов обмена веществ в организмах.

Некоторые микроэлементы влияют на рост (Mn, Zn, I - у животных; В, Mn, Zn, Cu - у растений), размножение (Mn, Zn - у животных; Mn, Cu, Mo - у растений), кроветворение (Fe, Cu, Со), на процессы тканевого дыхания (Cu, Zn), внутриклеточного обмена и т. д. Для ряда обнаруженных в организмах микроэлементов (Sc, Zr, Nb, Au, La и некоторых других) неизвестно их количественное распределение в тканях и органах и не выяснена биологическая роль.

Микроэлементы в почвах входят в состав различных соединений, значительная часть которых представлена нерастворимыми или трудно растворимыми формами и лишь небольшая - подвижными формами, которые могут усваиваться растениями. На подвижность микроэлементов и их доступность растениям большое влияние оказывают кислотность почвы, влажность, содержание органического вещества и другие условия, а также активность микроорганизмов.

Содержание микроэлементов в почвах различных типов неодинаково. Например, подвижными формами В и Cu богаты чернозёмы (0,4-1,5 и 4-30 мг в 1 кгпочвы) и бедны дерново-подзолистые (0,02-0,6 и 0,1-6,7 мг в 1 кг),недостаток Mo ощущается в лёгких, Со - в кислых дерново-подзолистых почвах, Mn - в чернозёмах, Zn - в бурых и каштановых почвах. Недостаток или избыток микроэлементов в почве приводит к дефициту или избытку их в растительном и животном организме. При этом происходят изменения характера накопления, ослабление или усиление синтеза биологически активных веществ, перестройка процессов межуточного обмена, выработка новых адаптаций или развиваются расстройства, ведущие к так называемым эндемическим заболеваниям человека и животных.

Например, эндемическая атаксия у животных вызывается недостатком Cu, некоторым избытком Mo и сульфатов, возможно, также Pb; эндемический зоб у человека и животных - недостатком I; акобальтозы - нехваткой Со в почве; борные энтериты, осложнённые пневмониями (у овец), - избытком В. В различных биогеохимическихпровинциях эндемическими заболеваниями поражаются обычно 5-20 % поголовья с.-х. животных или популяции того или иного вида. Для растений также вреден недостаток или избыток микроэлементов.

Так, при недостатке Mo подавляется образование цветков у цветной капусты и у некоторых бобовых; при недостатке Cu - нарушается плодообразование у злаков, цитрусовых и других растений; при недостатке В - недоразвито цветоложе, отсутствует цветение (арахис), отмирают бутоны (яблоня, груша), засыхают соцветия (виноград) и плоды (арахис, капуста); при избытке В растения поражаются гнилью корневой шейки, заболевают хлорозом, массовое распространение получает образование галлов. В провинциях, где концентрация отдельных микроэлементов не достигает нижних пороговых границ, эндемические болезни удаётся предупреждать и излечивать добавлением в корм животных соответствующих микроэлементов, для растений применяют микроудобрения.

Микроэлементы распределяются в организме неравномерно. Повышенное их накопление в том или ином органе в значительной мере связано с физиологической ролью элемента и специфической деятельностью органа (например, преимущественное накопление Zn в половых железах и его влияние на воспроизводительную функцию); в других случаях микроэлементы воздействует на органы и функции, не связанные с местом его накопления в организме.


Удобрения в сельскохозяйственном производстве

К удобрениям относят органические и неорганические вещества, содержащие элементы питания растений или мобилизующие питательные вещества почвы. В зависимости от химического состава подразделяются на органические удобрения (навоз, компосты, зелёное удобрение и др.) и минеральные удобрения(азотные, фосфорные, калийные, комплексные, известковые, микроудобрения), а по воздействию на питание растений - на прямые и косвенные. Выделяют также группу бактериальных удобрений.

Удобрения, получаемые непосредственно в хозяйствах, относят к группе местных, а производимые на химических предприятиях - промышленных. Удобрения повышают плодородие почвы (её питательный, водный, тепловой и воздушный режимы), улучшают химические, физико-химические, физические и микробиологические свойства. Многократное внесение удобрений в больших дозах и др. приёмы окультуривания почвы (обработка, посев трав и т.п.) могут изменить направление почвообразовательного процесса и привести к формированию новых почвенных подтипов - антропогенных почв, отличающихся высоким плодородием.

Применяя удобрения, человек активно вмешивается в круговорот веществ в природе, создавая, в частности, положительный баланс питательных веществ в земледелии. При правильном использовании удобрений, они положительно влияют на рост, развитие растений и в конечном итоге на урожай и качество продукции. Эффективность удобрений зависит от биологических особенностей с.-х. культур, содержания элементов питания в почве и её влажности, реакции почвенного раствора и т.п. Большие прибавки урожая дают удобрения в условиях орошения. Сочетание удобрений и полива способствует также более экономному расходованию воды и питательных веществ растениями. Обеспеченность удобрениями гектара посевов - один из основных показателей интенсификации земледелия.

Производство и потребление, и темп роста удобрений постоянно растут, если сравнить эти величины 50-70-х годов – таблица 8 с динамикой этих показателей, последних десятилетий, приведенных на рисунке 17, виден неуклонный рост их производства и потребления.

Таблица 8 - Мировое производство минеральных удобрений (тыс. т действующего вещества - N, P2O5 и K2O)

 

Удобрения

Годы

азотные (N)

фосфорные (Р2О5)

калийные (К2О)

всего (NPK)

1950

4382

6120

4315

14817

1955

7106

8719

6915

22740

1960

10564

10703

8668

29935

1965

18788

15669

12678

47135

1970

31911

21286

17564

70761

1972

36060

23906

19795

79761

clip_image006

Рисунок 17 - Потребление и темп роста удобрений

На рисунке 18 показана структура потребления удобрений в 2006 году по оценке IFA. Как видно из диаграммы, более половины потребляемых минеральных удобрений составляют азотные удобрения – 59%. На долю фосфорных удобрений приходится четверть производимых удобрений – 24%, 17% - составляет производство калийных удобрений.

clip_image008

Рисунок 18 - Структура потребления удобрений в 2006 году (оценка IFA) (по материалам Интернет)


 Азотные удобрения

Азотные удобрения - это минеральные и органические вещества, применяемые как источник азотного питания растений. Подразделяются на органические удобрения (навоз, торф, компост), содержащие, кроме азота, и другие элементы питания растений и минеральные удобрения, выпускаемые промышленностью, а также сидераты или зелёные удобрения (люпин, сераделла и др.).

Азотные удобрения применяли уже в глубокой древности. В землепашестве разных стран широко использовали навоз. В поливном земледелии Средней Азии давно известно зелёное удобрение. Значительно позднее стали применять минеральные удобрения, первым из которых были натриевая селитра, добываемая с середины 19 в. из природных залежей в Чили (Южная Америка). Потребление её в 1900 составляло около 300 тыс. т(в пересчёте на азот). В последующие годы промышленность стала выпускать сульфат аммония, цианамид кальция и кальциевую селитру.

К 1913 мировое производство азотных удобрений достигло почти 700 тыс. т – 700*103 т (в пересчёте на азот). Освоение в промышленном масштабе синтеза аммиака из азота воздуха и водорода (1914 - 18) позволило резко повысить их мировое производство, которое в 1966 возросло до 19 200 тыс. т(в пересчёте на азот).

За пять лет, с 2000 года мировое потребление азотных удобрений увеличилось на 12% и в 2005 году составило 90.86 млн. тонн – 90,96*106 т. Наиболее значительный прирост потребления азотных удобрений за 2000-2005 годы обеспечили страны Южной и Восточной Азии – 18.4% и 22.2% соответственно. За последние три года сократилось потребление в Западной Европе и Северной Америке.

В 2006 году увеличение мирового потребления азотных удобрений оценивается на уровне 2.7%, что несколько меньше по сравнению с другими видами минеральных удобрений. Основной движущей силой спроса на удобрения, по прогнозам IFA, останется Азия. Южная и Восточная Азия обеспечат предположительно половину общего роста потребления. В перспективе до 2010 года IFA ожидает увеличение среднегодового прироста потребления азотных удобрении – не более чем на 1.8% из-за замещения их комплексными удобрениями и более эффективным их использованием. В ближайшие годы IFA оценивает превышения предложение удобрений над спросом, которое в 2010 году может составить 22.5 млн. тонн – рисунок 19.

clip_image010

Рисунок 19 - Потребление и темп роста азотных удобрений (по данным Интернет)

В минеральных азотных удобрениях азот может находиться в аммиачной (NHз), аммиачно-нитратной (NH3 и N03), нитратной (NO3) и амидной (NH2) формах. Среди азотных удобрений важное место занимаю аммиачные удобрения. К аммиачным удобрениям относятся: сульфат аммония, хлористый аммоний, бикарбонат аммония, жидкие аммиачные удобрения. Сульфат аммония и хлористый аммоний наиболее эффективны на почвах, насыщенных основаниями (чернозёмы, карбонатные серозёмы, каштановые), которые обладают способностью нейтрализовать подкисляющее действие этих удобрений.

Систематическое удобрение сульфатом аммония и хлористым аммонием кислых почв вызывает повышение кислотности; этот недостаток может быть устранён известкованием. Аммиачный азот менее подвержен вымыванию, чем нитратный, поэтому аммиачные удобрения можно вносить до посева, осенью. Менее пригодны они для поверхностного (при подкормках озимых) и местного (в рядки, лунки и гнёзда) внесения. Избыток хлора в хлористом аммонии отрицательно влияет на размер и качество урожая многих сельскохозяйственных. культур (картофель, лён, масличные, табак, виноград и др.). Бикарбонат аммония, обладает щелочной реакцией, но в почве подвергается нитрификации. Среди аммиачных форм аммиачных удобрений большое значение имеют жидкие удобрения - жидкий безводный аммиак, водный аммиак, аммиакаты.

К аммиачно-нитратным удобрениямотносятся: аммиачная селитра(нитрат аммония, азотнокислый аммоний), сульфонитрат аммония (лейна-селитра, монтан-селитра, нитросульфат аммония). Аммиачную селитру выпускают преимущественно в гранулированном виде; она слабо подкисляет почву. Сульфонитрат аммония обладает относительно высокой подкисляющей способностью.

Нитратные удобрения -натриевая селитра (нитрат натрия, азотнокислый натрий, чилийская селитра), кальциевая селитра (нитрат кальция, азотнокислый кальций, известковая селитра, норвежская селитра), калийная селитра (нитрат калия, азотнокислый калий). Натриевая селитра - удобрение физиологически щелочное, поэтому лучше применять его на кислых почвах, особенно под сахарную свёклу, пшеницу, ячмень и др. чувствительные к почвенной кислотности культуры. Кальциевую селитру выпускают в гранулированном виде, обычно с примесью аммиачной селитры; она также подщелачивает почву. Калийная селитра, кроме азота, содержит калий и является источником азотно-калийного питания растений. Вносят её под чувствительные к хлору культуры. Все нитратные формы азота не поглощаются почвой. В районах избыточного увлажнения на лёгких почвах со слабой водоудерживающей способностью нитратные удобрения вымываются, поэтому в качестве основного удобрения здесь целесообразно применять аммиачные.

Амидные удобрения - мочевина (карбамид), цианамид кальция, мочевино-формальдегидные удобрения. Наиболее ценна мочевина. В почве она легко переходит в карбонат аммония; вначале несколько подщелачивает, а затем слабо подкисляет почву. Цианамид кальция обладает свойством снижать кислотность почвы. Эффективен на рыхлых, богатых органическими веществами нейтральных почвах, если удобряют им осенью. Непригоден для местного внесения. Цианамид кальция используют также как дефолиант для предуборочного удаления листьев у хлопчатника. Мочевино-формальдегидные удобрения не вымываются из почвы; они особенно эффективны в районах избыточного увлажнения и поливного земледелия. Можно применять высокие дозы этих удобрений, обеспечив растения азотом на несколько лет. Характеристика минеральных азотных удобрений приведена в таблице 9.

Таблица 9 - Свойства основных минеральных азотных удобрений 

Удобрения

Химическая

формула

Среднее

содержание

азота (%)

Объёмная

масса

удобрения

(кг/м.*)

Гигроскопич-

ность

Сульфат

  аммония

(NH4)2S04

20,5-21,5

800

Очень слабая

Хлористый аммоний.

NH4CI

26,0

600

Слабая

Аммиак безводный ....

NH3

82,3

620

 

Аммиак водный......

NH3 + Н20

20,0

910

 

Аммиачная селитра

       

гранулированная

NH4NO3

34,7-35,0

820

Очень сильная

кристаллическая

NH4NO3

34,7-35,0

840

Очень сильная

Натриевая селитра

NaNO3

16,0

1100-I400

Умеренная

Кальциевая селитра

Са(N03)2*2H20

17,0

900-1100

Очень сильная

Мочевина

       

гранулированная

(NH2)2CO

46,0

650

Очень слабая

кристаллическая

(NH2)2CO

46,0

650

Очень слабая

Азотные удобрения - эффективное средство повышения урожайности сельскохозяйственных культур, особенно в нечернозёмной зоне, во влажных районах лесостепи и в зоне поливного земледелия, где почвы содержат недостаточное количество азота. Нормы минеральных азотных удобрений зависят от почвенных условий, биологических особенностей культур, степени обеспеченности навозом или другими органическими удобрениями.

Примерные нормы азотных удобрений (в кг на 1 га в пересчёте на азот): под озимые зерновые культуры, высеваемые по занятому пару, 40 - 60, по чистому пару 30 - 40; под яровые зерновые 40 - 60; кукурузу на силос и на зерно в нечернозёмной зоне и северной части лесостепной зоны 60 - 120, на богатых чернозёмах лесостепи 45 - 60, в поливных районах 120 - 150; под сахарную свёклу на чернозёмах лесостепи 45 - 60, на серых лесных почвах, оподзоленных чернозёмах лесостепи и в нечернозёмной зоне 80 - 120, в поливных районах 100 - 150; под хлопчатник 120 - 140; лён-долгунец 40 - 60; под коноплю 45 - 90; под картофель 45 - 90; под капусту 90 - 120; под томаты, огурцы 60 - 90; под плодово-ягодные культуры 60 - 100.

Меньшие нормы применяют на почвах, более богатых природным азотом, а также при одновременном использовании навоза или других азотсодержащих органических удобрений. При достаточных уровнях азота в почвах, в обеспеченных влагой районах нормы удобрений можно увеличить, что, как правило, повышает урожай и улучшает качество продукции. например, хорошее азотное питание благоприятствует образованию клейковины в зерне пшеницы, увеличивает содержание белка в кормовых культурах.

Азотные удобрения используют и как основное удобрение и в подкормках. Под озимые, высеваемые по чистому пару, их вносят только в ранневесенних подкормках (30 - 40 кг азота на 1 га) по мёрзло-талой почве. Под яровые культуры во всех зонах СНГ азотные удобрения. в полной норме полезно применять до посева, а при орошении - в несколько приёмов перед поливами.


Фосфорные удобрения

Минеральные и органические вещества, содержащие фосфор и используемые для улучшения фосфорного питания растений - являются единственным источником пополнения запасов фосфора в почве. Фосфорные удобрения производятся в основном промышленным путем из горнорудного сырья - фосфоритови апатитов. В качестве фосфорных удобрений применяют также органические вещества, например костную муку, навоз, богатые фосфором отходы промышленности - фосфатшлак, томасшлак и другие.

Фосфорные удобрения - первые из минеральных удобрений, полученные промышленным путем. Суперфосфат впервые стали вырабатывать в Великобритании в 1842 - до этого в качестве фосфорных удобрений использовали в основном костную муку.

Мировое производство фосфорных удобрений к 1900 составило около 1 млн. т (в пересчёте на P2O5). В 20 в. (особенно с его середины) их применение значительно увеличилось – таблица 10. Однако относительный рост потребления их в сельском хозяйстве меньше, чем азотных и калийных удобрений, что объясняется недостаточными запасами фосфатного сырья.

Таблица 10. – Мировое потребление в сельском хозяйстве фосфорных минеральных удобрений, тыс. т P2O5

Страны

 

1950

1960

1970

1974

Все страны

в том числе:

США

СССР

Франция

КНР

Австралия

ФРГ

Польша

Япония

Бразилия

Индия

Испания

Канада

Великобритания

Италия

5918

1869

532

370

331

336

55

232

25

8

126

113

413

247

9600

2427

1088

783

536

707

180

440

62

66

275

133

436

389

18802

4145

3184

1684

730

862

857

595

702

237

420

389

284

460

486

24255

4600

4496

2152

1390

1171

917

848

793

725

634

481

480

478

472

За пять лет, с 2000 года мировое потребление фосфорных удобрений увеличилось на 13% и в 2005 году составило 36.78 млн. тонн. Значительный прирост потребления за 2000-2005 годы обеспечили страны Восточной и Южной Азии, Латинской Америки, – 29.3%, 25% и 19% соответственно. За это же время сократилось потребление в Западной Европе, Океании и странах WANEA – на 17.2%, 7.5% и 7.6%.

В перспективе до 2010 года IFA ожидает увеличение среднегодового прироста потребления фосфорных удобрений темпами в 2.6%. Превышение предложения над спросом удобрений IFA оценивает в ближайшие годы стабильно на уровне 1-2 млн. тонн. Основными производителями фосфорных удобрений являются Северная Америка и страны Азии. Основным сырьем для производства этого вида удобрений служит апатитовый концентрат. Потребление фосфорных удобрений и темп роста приведены на графике - рисунок 20

clip_image012

Рисунок 20 - Потребление фосфорных удобрений и темп роста

По растворимости фосфорные удобрения разделяют на 3 группы. В водорастворимых удобрениях (простой, двойной и аммонизированный суперфосфаты) фосфор содержится в виде одноосновного фосфата кальция Ca(P2O4)2*H2O. Их производят преимущественно гранулированными и используют для основного и припосевного (в рядки) внесения. В цитратнорастворимых и лимоннорастворимых удобрениях (преципитат, томасшлак, фосфатшлак, обесфторенный фосфат, плавленый фосфат магния) фосфор находится в виде двухосновного фосфата кальция CaHPO4*H2O или тетракальциевого фосфата Ca4P2O5. Эти удобрения применяют для основного внесения под вспашку или культивацию.

В труднорастворимых удобрениях, содержащих фосфор - фосфоритная мука, костная мука, фосфор содержится в виде трикальцийфосфата Ca3(PO4)2. Вносят их как основное удобрение в повышенных дозах на кислых почвах, в которых труднорастворимые фосфаты переходят в доступную для растений форму. Все фосфорные удобрения негигроскопичны, не слёживаются, хорошо рассеваются туковыми сеялками.

Перспективны высококонцентрированные фосфорные удобрения - полифосфаты аммония, метафосфаты калия, содержащие от 50 до 80% P2O5. По эффективности они равноценны, а в ряде случаев превосходят стандартные формы удобрений, содержащих фосфор. В США и некоторых странах Западной Европы получают применение жидкие удобрения, изготовляемые на основе полифосфорных кислот. Использование этих удобрений позволяет полностью механизировать их внесение, до минимума сократить потери, равномерно заделывать в почву, одновременно вносить микроэлементы и пестициды. Характеристика основных минеральных фосфорных удобрений приведена в таблице.11.

Таблица 11 – Характеристика основных минеральных удобрений

Удобрения

Химическая формула

Содержание P2О5, %

Суперфосфат простой и гранулированный

Са (Н2РО4)2 Н2О + 2CaSO4

14–19,5

Суперфосфат двойной гранулированный

Са (Н2РО4)22О

45

Фосфоритная мука

СаF (РО4)3 + СаОН (РO4)3 + СаСО3

19–30

Преципитат

СаНРO4*2Н2O

27–35

Фосфатшлак

4СаО*Р2O5*СaSiO3

16–19

Томасшлак

4СаО*Р2О5 + 4СаО*P2O5*CaSiO3

14

Фосфорные удобрения увеличивают урожай и улучшают его качество, ускоряют созревание растений, повышают их устойчивость к полеганию и засухе. Последнее имеет особое значение для Казахстана, где основные земледельческие районы расположены в зоне недостаточного увлажнения. Установлена высокая эффективность фосфорных удобрений во всех почвенно-климатических зонах страны, при внесении под все с.-х. культуры. Положительное действие их особенно проявляется на фоне обеспечения растений азотом и калием

Внесение 60 кгP2O5 (основное удобрение) под озимую пшеницу даёт дополнительно 2–5 ц с 1 га зерна. В зонах возделывания яровой пшеницы внесение 60–80 кг P2O5 повышает урожай на 1,5–2,5 ц с 1 га. В связи с малой подвижностью Ф. у. оказывают последействие в течение нескольких лет: в засушливых районах 6–8 лет, в зоне достаточного увлажнения 2–3 года.

Дозы фосфорных удобрений зависят от почвенных условий, особенности культуры, обеспеченности растений элементами питания. В СССР вносят в качестве основного удобрения (под вспашку или культивацию) 60–120 кг/га P2O5 и припосевного – 10–40 кг/га P2O5. Подкормка фосфором, как правило, малоэффективна, за исключением орошаемых земель.

На орошаемых землях республик Средней Азии и Азербайджана применение 100–120 кг/га P2O5 под хлопчатник повышает сбор хлопка-сырца на 3–5 ц с 1 га. В зонах свеклосеяния 60–120 кг/га P2O5 увеличивают урожай сахарной свёклы на 25–50 ц с 1 га и повышают сахаристость корнеплодов на 0,1–0,3%. При удобрении фосфором в дозе 90 кг/га урожайность картофеля на дерново-подзолистых и чернозёмных почвах повышается па 25–30 ц с 1 га; при этом содержание крахмала в клубнях возрастает на 0,6–1,2%. Фосфорные удобрения также эффективны при внесении под другие скльскохозяйственные. культуры – кормовые, овощные, плодовые


 Калийные удобрения

К калийным удобрениям относят минеральные вещества с высоким содержанием доступного калия, используемые как источник калийного питания растений. Обычно это растворимые в воде соли соляной, серной и угольной кислот, нередко с примесью других соединений, содержащие калий в доступной для растений форме.

Основным источником калийных удобрений являются залежи природных калийных солей, первое крупное месторождение которых открыто в Штасфурте в 40-х гг. 19 в. В последующие годы промышленность стала выпускать хлористый калий, калийную селитру, сульфат калия и др.; были открыты залежи калийных солей во многих странах. К 1913 мировое производство калийных удобрений составило (в пересчёте на K2O, в млн. т) 1,19, в 1967 - 14,7, в 1970 - 19.

За пять лет, начиная с 2000 года, мировое потребление калийных удобрений увеличилось на 20% и в 2005г составило 26.44 млн. тонн. Наиболее значительный прирост потребления калийных удобрений за 2000-2005 годы обеспечили страны Восточной и Южной, Северо-восточной и Юго-восточной Азии – 60.6%, 44.4% и 44.3% соответственно. За это же время сократилось потребление в Западной Европе, Северной Америке и Африке – на 14.6%, 2.9% и 9.3%. В 2006 году увеличение мирового потребления калийных удобрений оценивается на уровне 4%, что больше по сравнению с другими видами минеральных удобрений. В перспективе до 2010 года IFA ожидает увеличение среднегодового прироста потребления калийных удобрений темпами в 3%. Превышение предложения над спросом удобрений IFA оценивает в ближайшие годы стабильно на уровне 6 млн. тонн – рисунок 21.

clip_image014

Рисунок 21 - Потребление калийных удобрений и темп роста

Калийные удобрения подразделяют на сырые калийные соли, получаемые механической переработкой (сортировкой, дроблением и размолом) природных калийных солей, и концентрированные удобрения - хлористый калий, сульфат калия, 30%-ные и 40%-ные калийные соли (смесь тонкоразмолотых природных каинита или сильвинита с хлористым калием), а также поташ, калимагнезия, калий-электролит, зола и др. Характеристика основных калийных удобрений приведена в таблице 12.

Обычно калийные удобрения применяют на фоне фосфорных или азотных и фосфорных удобрений. Наиболее высокие прибавки урожая на бедных подвижным калием почвах: торфянистых, пойменных, супесчаных и легкосуглинистых дерново-подзолистых. В калийных удобрениях растения нуждаются также на серых лесных суглинках, оподзоленных и выщелоченных чернозёмах, краснозёмах влажных субтропиков (при длительном возделывании чайного куста и цитрусовых культур).

Таблица 12 - Свойства основных минеральных калийных удобрений

Удобрение

Химическая формула

Содержание К2О, %

Гигроскопичность

Слёживаемость

Хлористый калий

KCl

52-60

Заметная

Сильная

30%-ные и 40%-ные калийные соли

KCl + mKCl*nNaCl

30-40

Незначительная

Заметная

Сульфат калия

K2SO4

45-52

Очень слабая

Отсутствует

Сильвинит

mKCl*nNaCl

Не менее 14

Незначительная

Заметная

Каинит

KCl*MgSO4*3H2O

8-12

Слабая

То же

Карналлит

KCl*MgCl2*6H2O

12-13

Незначительная

То же

Калимагне

зия

K2SO4*MgSO4

24-26

Очень слабая

Отсутствует

Калий-электролит

KCI и примеси

32

Заметная

Заметная

На калий более отзывчивы те растения, которые потребляют большое количество этого элемента: картофель, овощные, сахарная свёкла, кормовые корнеплоды, табак, махорка. Лён и конопля, хотя и выносят немного калия из почвы, но слабо усваивают его, поэтому выращивание их связано с внесением калийных удобрений.

Калий положительно влияет на качество продукции: корнеплоды повышают содержание сахара, картофель - содержание крахмала, прядильные культуры - выход и качество волокна, кормовые растения - содержание протеина (особенно на фоне азотных аммиачных удобрений). Кроме того, калийные удобрения. усиливают стойкость растений к некоторым грибным заболеваниям, а у озимых хлебов, бобовых трав и многолетних насаждений повышают морозостойкость и засухоустойчивость.

Эффективность калийных удобрений зависит от содержания в них сопутствующих элементов - натрия, хлора и других. Так, у картофеля, табака, винограда, люпина - культур чувствительных к хлору - повышается качество урожая обычно лишь при внесении калийной селитры или карбоната калия. Сахарная свёкла и некоторые другие растения положительно реагируют на натрий сырых и смешанных калийных солей. Поэтому в основных зонах свеклосеяния сильвинит (содержащий, кроме калия, натрий) даёт большую прибавку урожая корней и увеличивает их сахаристость значительнее, чем чистый хлористый калий. Под виноград, гречиху, табак, фасоль, картофель вносить сырые калийные соли нежелательно. Если эти культуры удобряют хлористым калием, то его вносят только осенью под вспашку, с тем чтобы в течение осени и в начале весны не поглощённый почвой хлор успел в значительной степени выщелочиться из пахотного слоя. Ещё лучше использовать под эти культуры калимагнезию, сульфат калия, калийную селитру, печную золу. Применение калийных удобрений, предпочтительнее одновременно с фосфорными, повышает продуктивность лугов и улучшает качество сена.

Дозы вносимых калийных удобрений зависят главным образом от почвенных условий, физиологии, особенностей удобряемой культуры и свойств удобрений. На дерново-подзолистых почвах вносят (K2O, в кг/га) от 30 до 60 (под коноплю дозу увеличивают до 120), на серых лесных почвах и чернозёмах соответственно 30-60 и 30-45 (под коноплю до 90), на краснозёмах и серозёмах 30-60.

Калийные удобрения применяют обычно как основное удобрение осенью или весной под вспашку или культивацию. Подкормка растений калием (если его было недостаточно внесено под вспашку) получила распространение при возделывании сахарной свёклы, картофеля, кукурузы, некоторых овощных культур. При этом лучше калий использовать вместе с азотными и фосфорными удобрениями, внося их в междурядья растениепитателями на глубину не менее 10-12 см (из расчёта 20-30 кг/га K2O).

Мелкая заделка в почву калийных удобрений, при подкормке растений не даёт положительных результатов. Поэтому подкармливать калием культуры сплошного сева (зерновые, зернобобовые, травы) нецелесообразно. Каждый центнер K2O, внесённый в виде калийных удобрений, обеспечивает в среднем следующую прибавку урожая (в ц): хлопка-сырца 1-2, сахарной свёклы 35-40, картофеля 20-33, льноволокна около 1,5, зерна озимых 3-5, яровых 2-3, сена сеяных трав 20-33, лугового сена 8-18. Длительность последействия калийных удобрений 3-4 года.

Вы здесь: Home Минеральное питание растений, удобрения в сельскохозяйственном производстве