Почвенная влага и минеральное питание растений

В условиях современного изменения климата ставится задача сведения к минимуму зависимости эффективности удобрений и продуктивности культур от погодных факторов. Поэтому оценка и учёт агроклиматических ресурсов и современные тенденции их изменения должны найти широкое применение в аграрном производстве.

К климатическим условиям, определяющим эффективность применения минеральных удобрений, относится сумма активных температур (более 10°С) в летний период, температура воздуха в период вегетации, а также количество и распределение осадков в течение года, включая весенние и осенние запасы продуктивной влаги в почве. Наиболее актуальны в последнее время вопросы обеспечения земледелия влагой.

Начало периода современного потепления приходится на 1989 год, что повлияло на сроки сева и развития озимых и яровых культур. В период активной вегетации культур суммы температур выросли на 80°С. Продолжительные засухи случаются редко, хотя засушливые периоды наблюдаются ежегодно, чаще всего в апреле-мае и сентябре-октябре.

Известно, что условия увлажнения территории аграрии оценивают по Гидротермическому коэффициенту (ГТК), который определяют отношением суммы осадков в миллиметрах за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С к сумме температур за это же время, уменьшенной в 10 раз. Чем ниже ГТК, тем засушливее местность. Если ГТК территории >1,6 – условия влажные, 1,6-1,3 – оптимальные, 1,3-1,0 – слабозасушливые, 1,0-0,7 – засушливые, 0,7-0,4 – очень засушливые, 0,4-0,2 – сухие. Условия увлажнения по регионам Беларуси различаются: в южной части ГТК составляет 1,0-1,2, а в северной доходит до 1,5-1,7.

При этом более точно судить о степени обеспеченности культур влагой в конкретных условиях позволяют агрогидрологические свойства почвы, которые подразумевают разделение почвенной влаги по степени связности, подвижности и доступности для растений, что позволяет выделить ту её часть, которая может быть усвоена корневой системой растений. При выборе сроков, доз и форм применения минеральных удобрений разумнее будет руководствоваться уровнем распределения запасов почвенной влаги на производственном участке.

Основной показатель – это запасы продуктивной или активной влаги в почве, которые показывают количество воды сверх влажности завядания (ВЗ), при наличии которой растения прекращают рост.

 Влажность завядания зависит от вида растений и свойств почвы. Чем тяжелее гранулометрический состав почвы и чем больше в ней органического вещества, тем выше ВЗ. В среднем влажность завядания песчаных почв составляет 1-3%, супесей – 3-6%, суглинков – 6-15%, торфяных почв – 50-60%.

Наивысшему увлажнению почвы в полевых условиях соответствует полевая или общая влагоёмкость, а нижним пределом активной влаги является влажность завядания.

Такой показатель почвы, как наименьшая влагоемкость (НВ) – это максимальное количество капиллярно-подвешенной влаги, которое способна длительное время удерживать почва после обильного увлажнения и свободного стекания воды при условии исключения испарения и капиллярного увлажнения за счет грунтовой воды. Влагоёмкость или способность почв удерживать влагу зависит от их гранулометрического состава, структурного состояния, содержания гумуса и др.

На почвах с низким содержанием гумуса возрастает потребность в органических и азотных удобрениях, а фосфорные и калийные удобрения без внесения азота не проявляют высокой эффективности.

Наукой установлено, что наибольшая эффективность удобрений отмечается при запасах влаги 80-90% от наименьшей влагоёмкости (НВ). Более низкое или высокое увлажнение снижает эффективность удобрений. Нижним пределом увлажнения считается влажность 70% от наименьшей влагоемкости.

Установлено, что оптимальные запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в период вегетации растений находятся в пределах от 100 до 200 мм. Как избыточная влажность (более 250 мм), так и недостаточная (менее 50 мм) отрицательно сказываются на развитии культур и их урожайности (А.М. Шульгин).

Таблица 1 - Наименьшая влагоемкость различных по гранулометрическому составу почв (мм продуктивной влаги)

Учитываем, что в начальный период роста и развития культур решающее значение имеют запасы влаги в пахотном слое мощностью 0-20 см, но в дальнейшем растения потребляют влагу из метрового слоя почвы, а в период засух или при высоких урожаях используют запасы с глубины до 2 м.

Характеристика запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы:

• менее 80 мм (плохие запасы),
• от 80 до 100 мм (недостаточные),
• от 101 до 120 мм (удовлетворительные),
• от 121 до 160 мм (хорошие),
• более 160 мм (отличные).

Труднодоступная влага лежит в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров (ВРК). В этом интервале влажности почвы растения могут существовать, но их продуктивность снижается.

Если в суглинистой почве влажность завядания равна 12%, а общая влагоёмкость 28%, то диапазон продуктивной влаги будет 16% (28-12), что характеризует максимально возможное количество активной влаги в этой почве.

Как видно, запасы воды в почве могут выражаться не только в процентах, но и в миллиметрах водяного слоя, а также в кубометрах воды на 1 га и эти показатели связаны между собой: 1 мм водяного слоя на 1 га соответствует 10 л³/га воды.

Как посчитать полевую влажность почвы в период роста и развития культур? Отбирают буром почву с нужной глубины в герметичный пакет, берут 5 г навески сырой почвы, высушивают в сушильном шкафу при 100-105°С 3 часа до постоянной массы и снова взвешивают.  Имея данные о влажности почвы в весовых процентах на сухую почву (вес испарившейся воды из сырой почвы/вес сухой почвы×100), можно вычислить запас влаги в каждом отобранном слое почвы. Для этого данные влажности в весовых процентах (W) умножают на объемный вес слоя почвы (D, г/см³) и толщину слоя в сантиметрах (H) и делят на 10 (для перевода м³ воды в мм). В результате получаем запас воды в слое почвы, выраженный в миллиметрах водяного слоя (B, мм = WDH/10). Входящие в эту формулу величины плотности почвы (г/см³) и влажности завядания постоянны для конкретной почвы и практически не меняются при изменении влажности конкретной почвы.

К примеру: запас влаги в слое почвы 0-20 см при объемном весе 1,15 г/см³ и влажности 20,5% будет равен: В=20,5×1,15×20:10=47,15 мм (или 471,5 м³/га). Запас влаги в метровом слое почвы рассчитывается послойно и суммируется.

Считается, что культура тогда обеспечена водой, когда запас продуктивной влаги превосходит её расход из почвы. Продуктивную влагу в почве необходимо учитывать для обоснования технологии возделывания сельскохозяйственных культур, определения и оптимизации агротехнических мероприятий (эффективности вносимых в почву минеральных удобрений, системы обработки почвы, регулирования водного режима и т.д.).

Условия погоды в критические периоды роста и развития культур остаются важнейшим фактором эффективности удобрений. Известно, что при недостатке или избытке тепла снижается поступление элементов питания из почвы в растения, а вместе с ними падает эффективность удобрений. Наиболее сильное отрицательное влияние оказывают низкие температуры на азотное и фосфорное питание в начале роста с/х культур.

Количество и равномерность распределения атмосферных осадков играет определяющую роль в эффективном использовании культурами питательных веществ. По данным белорусских ученых, эффективность удобрений в засушливые годы может снижаться на 35%, а во влажные увеличиваться на 50% по сравнению с действием в нормальные по увлажнению годы. Эффективность азотных удобрений больше всего зависит от количества выпадающих осадков. 

Отношение культур к срокам выпадения осадков в разные по увлажнению годы также различается. Для яровых зерновых важно наличие весенних запасов влаги в почве, весенних и раннелетних дождей. Кукуруза и просо хорошо используют осадки в середине лета. Недостаток осадков в июне-июле отрицательно сказывается на урожайности картофеля.

Для озимых зерновых культур критическим в отношении влагообеспеченности является октябрь, поэтому достаточное выпадение осадков в сентябре (20-60 мм) обеспечивает существенную прибавку их урожайности. Всходы озимых в республике появляются через 6-8 дней после посева при оптимальном сочетании температуры воздуха (+12-14°С) и запасах продуктивной влаги в верхнем слое почвы 0-20 см 30-50 мм. Ко времени сева озимых в Беларуси средние многолетние запасы продуктивной влаги в пахотном слое составляют: на супесчаных почвах – 20-45 мм; на суглинистых – 25-50 мм; на глинистых – 30-45 мм; на песчаных почвах – 20-35 мм. Однако в последнее время каждые 5 лет случаются осенние засухи, когда запасы осенней влаги могут составлять менее 10 мм.

Будущий урожай озимых также зависит и от весенних запасов продуктивной влаги в почве. Хорошими запасами влаги в метровом слое почвы весной считаются 150-200 мм, удовлетворительными – 120-150 мм, плохими – менее 100 мм. Нормальный интенсивный рост озимых зерновых в период «выход в трубку-колошение» происходит при запасах продуктивной влаги в метровом слое 100-200 мм и температуре воздуха +12-16°С. Наиболее высокие урожаи зерна формируются в годы с запасами продуктивной влаги 100-125 мм.

Если запасы влаги в метровом слое ниже 100 мм, то развитие растений замедляется, а при запасах менее 80 мм – состояние ухудшается, часть колосьев остаётся недоразвитой. В эту важную фазу развития озимых зерновых на суглинистых почвах запасы продуктивной влаги более 100 мм наблюдаются в 60-95% лет, на супесчаных почвах в 45-80%, на песчаных почвах в 35-65% лет.

Ко времени восковой спелости озимых зерновых потребность во влаге снижается, однако количество продуктивной влаги в это время в метровом слое не должно опускаться ниже 40 мм, оптимальными считаются запасы 80-100 мм влаги.

Благоприятные условия для сева ранних яровых культур создаются при просыхании почвы до мягкопластичного состояния, которое по среднемноголетним данным на большей части территории республики наблюдается в начале третьей декады апреля, на юге и юго-западе – во второй декаде апреля, на севере и северо-востоке – в конце апреля. К этому времени запасы влаги в верхнем слое почвы 0-20 см на большей части территории оптимальные (30-60 мм) и лишь на легких песчаных почвах могут быть менее 30 мм.

В период выхода в трубку яровых зерновых в конце мая-начале июня запасы влаги в пахотном слое (0-20 см) в среднем по республике обычно удовлетворительные (20-40 мм), при этом оптимальными в этот период считаются 30-60 мм. Недостаток почвенной влаги в фазу трубкования оказывает отрицательное влияние на формирование репродуктивных органов (развитие колосков), у яровой пшеницы увеличиваются бесплодные зерновки в колосе.

Когда у ярового ячменя и пшеницы во второй-третьей декадах июня наступает колошение, а у овса – выметывание метелки, то оптимальное развитие растений в этот период обеспечивают запасы продуктивной влаги в метровом слое 110-130 мм. В период колошения и цветения средние запасы влаги в метровом слое в республике изменяются от 60 мм на песчаных почвах на юге до 210 мм на суглинистых почвах в северной части. Получается, что колошение яровых происходит при оптимальном увлажнении почвы, за исключением южных районов республики. Высокие температуры снижают урожайность зерновых.

Что касается сахарной свёклы, то благоприятные условия для формирования её урожайности складываются при запасах продуктивной влаги в метровом слое почвы более 100 мм в период до начала роста корнеплодов и более 70 мм в период их роста. В свеклосеющих регионах в период интенсивного роста корнеплода в июле-августе на супесчаных почвах средние запасы продуктивной влаги составляют 130-150 мм, на подстилаемых песками супесях – 90-105 мм, на песчаных почвах – 70-90 мм.

За счет сбалансированного минерального питания культур можно создать благоприятные условия для раскрытия потенциала их продуктивности даже при недостатке влаги в почве в критические периоды их роста и развития. Опыт работы аграриев в разных регионах показывает, что в последнее время решающее значение приобретает не столько объём внесения минеральных удобрений, сколько их формы, сроки, технологии и методы, которые повышают отдачу. Учитываем, что на произвесткованных кислых почвах оплата минеральных удобрений возрастает на 15-20% (особенно азотных и фосфорных) и улучшается качество растениеводческой продукции.

Агрохимической наукой установлено, что 1 балло-гектар обеспечивает получение 0,5 ц зерна. Расчёт показывает, что за счёт балла плодородия можно получить урожайность зерновых культур 16 ц/га (32×0,5), а остальной прирост урожайности в условиях каждого хозяйства нужно формировать за счёт освоения новых технологий и грамотного внесения минеральных удобрений, повышая уровень окупаемости 1 кг NPK до 8-12 кг зерна.

Что касается Беларуси, то, исходя из структуры посевных площадей и уровня плодородия почв, научно-обоснованная потребность АПК Беларуси в минеральных удобрениях составляет 1768 тыс. т NPK, в том числе 325 тыс. т Р₂О₅. В пользовании с/х организаций республики находится 7,4 млн. га с/х земель, в том числе около 5,0 млн. га пашни и 2,4 млн га луговых земель. Откуда следует, что в среднем на с/х земли требуется вносить не менее 240 кг/га NPK (44 кг/га Р₂О₅), а на пашню около 350 кг/га NPK, в том числе 65 кг/га Р₂О₅.

С учётом биологических особенностей возделываемых культур для формирования высоких урожаев аграрному сектору Беларуси также требуется около 527 т д.в. микроудобрений, в том числе 197 т бора, 138 т цинка, 115 т меди, 75 т марганца и 2,0 т молибдена. Востребованными становятся сера, кремний, селен и кобальт.

Отечественная химическая промышленность выпускает для аграриев весь необходимый ассортимент макро- и микроудобрений. Производится аммофос и суперфосфат с добавками микроэлементов (меди, цинка бора марганца, молибдена и кобальта), а также различные марки твёрдых азотно-фосфорно-калийных удобрений под конкретные культуры (АФК), в том числе и жидкие комплексные удобрения (ЖКУ) в качестве допосевного, припосевного удобрения и для подкормки (с серой и микроэлементами). Налаживается выпуск калия монофосфата жидкого (РК) с добавками микроэлементов.

В ассортименте азотных удобрений преобладают карбамид приллированный (с включением микроэлементов, гидрогумата, ингибиторов уреазы), КАС и сульфат аммония. Потребность культур в калии удовлетворяется за счёт внесения калия хлористого, нитрата калия (NK 13-45) и гранулированных NK-удобрений.

Улучшает условия питания сельскохозяйственных культур и отечественный арсенал бактериальных удобрений на основе высокоактивных микроорганизмов.

Главной составляющей борьбы с засухой является повышение плодородия почв. Потому, что на плодородных почвах снижается расход влаги на синтез 1 грамма сухого вещества растений (транспирационный коэффициент). Значительному сокращению расхода влаги на синтез способствуют обеспеченность культур питательными веществами и благоприятные агрофизические свойства почвы.

Количество воды, затрачиваемое на синтез 1 г сухого вещества для основных с/х культур, находится в пределах 300-700 г, при среднем транспитационном коэффициенте у озимого рапса и зерновых 400-500 г, у сахарной свёклы 200-400 г, а у кукурузы – 160-360 г.

Как можно выстроить систему минерального питания с учётом уровня влагобеспеченности культур для получения максимального эффекта? Озимые зерновые являются важнейшими для нас культурами, а их урожайность и качество наиболее сильно зависят от плодородия и сбалансированного применения удобрений.

Заслуживают внимания результаты исследований российских учёных по системе минерального питания озимой пшеницы в условиях относительного недостатка влаги и неустойчивого увлажнения, которые были проведены в Ростовской области (Юг РФ) на почвах с содержанием гумуса 2,1-3,8%.

При оценке дефицита влаги россияне использовали региональные шкалы осеннего и весеннего периода (табл. 2 и 3), которые были получены по итогам производственных опытов, проведённых за последние 10-15 лет (ФГБУ Государственный центр агрохимической службы «Ростовский»).

Таблица 2. Шкала оценки запасов продуктивной влаги в осенний период, источник: ФГБУ ГЦАС «Ростовский»

Какие формы и приёмы внесения минеральных удобрений под озимую пшеницу рекомендуют использовать российские учёные при различном содержании влаги в почве в осенний период?

При высоком содержании влаги в метровом слое почвы (160 мм и более) ограничений по применению минеральных удобрений под озимую пшеницу нет. Если степень увлажнения метрового слоя хорошая (140-160 мм), то доза фосфора при посеве регулируется в зависимости от содержания подвижного фосфора в почве.

При низкой обеспеченности почвы подвижным фосфором (менее 150 мг/кг) при посеве озимой пшеницы вносят высоко концентрированный аммофос (12:52) в дозе фосфора 20-25 кг/га. Если обеспеченность почвы подвижным фосфором высокая – более 300 мг/кг, то вразброс применяют диаммофоску 10:26:26.

Таким образом, на низком агрохимическом фоне при посеве озимой пшеницы рекомендуется применять аммофос в дозе фосфора 20-25 кг/га, как наиболее концентрированное удобрение, а на высоком агрохимическом фоне лучше вносить вразброс диаммофоску. Заметим, что содержание подвижного калия в пахотном слое почв было высокое (300-800 мг/кг К₂О), поэтому внесение калия не столь актуально.

Когда запасы продуктивной влаги в осенний период ухудшаются – степень увлажнения метрового слоя средняя (90-120 мм), а пахотного слоя хорошая (>20 мм), то особые требования предъявляют к азотному питанию пшеницы.

Под предпосевную культивацию рекомендуют применять аммиачную селитру в дозе N_35-40 кг/га или сульфат аммония, при посеве – все формы хорошо растворимых фосфорсодержащих удобрений (аммофос, сульфоаммофос).  Чем ниже запас влаги в метровом слое почвы осенью, тем меньше под предпосевную культивацию вносят азота (N₃₀), а при посеве аммофоса (20 кг/га Р₂О₅).

Для оценки запаса влаги в почве в весенний период развития озимой пшеницы российские агрохимические службы используют другую шкалу (табл. 3). Оценивается глубина наличия горизонта продуктивной влаги и переместившегося азота.

Таблица 3 – Шкала оценки запасов продуктивной влаги в метровом слое в весенний период, источник: ФГБУ ГЦАС «Ростовский»

При недостаточном содержании влаги в первую ранневесеннюю подкормку посевов специалисты склоняются к тактике дробного внесения азота. Если запас продуктивной влаги в метровом слое почвы ранней весной удовлетворительный (120-140 мм) и недостаточный (80-120 мм), то первая азотная подкормка аммиачной селитрой проводится дробно, а дозы азота не превышают 30-34 кг/га. Вторую подкормку посевов азотом необходимо приурочить к осадкам.

В случае с плохими запасами влаги ранней весной (менее 80 мм) первая азотная подкормка должна быть приурочена к осадкам (N_30-34 кг/га), а при раскустившихся посевах её можно перенести на кущение.

Заметим, что тактика подкормок озимой пшеницы весной на юге РФ следующая: ранневесенняя подкормка посевов азотом проводится дробно аммиачной селитрой (2×34 кг/га), вторая подкормка в фазу кущения-трубкования – КАС (32 кг N/га), в колошение проводят 3 некорневые подкормки раствором карбамида (3×10 кг N/га), в том числе, до и при посеве озимой пшеницы осенью также вносится азот.  

Таким образом, грамотное дробное применение NPK удобрений с учётом уровня обеспеченности почвы подвижными формами элементов питания при недопущении однобокого азотного питания, позволяет нивелировать недостаток запасов продуктивной влаги и получить хороший урожай зерна высокого качества. Внесение NPK в виде листовых подкормок озимой пшеницы, начиная со стадии кущения и до молочной спелости (КАС, мочевина, ЖКУ и др.) проводится при обеспеченности почвы продуктивной влагой на уровне 50% от наименьшей влагоёмкости (20% влажности) (Назаренко О.Г., 2021).

Подготовила кандидат с.-х. наук Галина Сафроновская