Практическое занятие № 8 (часть 1)

Оценка обеспеченности почв азотом различными методами. Потребность с.-х. культур в азотных удобрениях

Основные теоретические положения

Большая часть органических соединений в растениях содержит в своем составе азот. К ним относятся аминокислоты, нуклеиновые кислоты, ферменты, хлорофилл, а также переносчики энергии – АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Если растение не обеспечено азотом для формирования этих жизненно важнейших компонентов, оно не может расти и развиваться.

Азот нужен растению для формирования новых клеток. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются углеводы, но при отсутствии азота этот процесс не может завершиться и сформировать белки, нуклеиновые кислоты и другие составные части растительного организма, в которых азот является обязательным элементом.

Многие белки в клетках вегетативной части растений являются ферментами или нуклеопротеинами, которые частично входят в состав хромосом. Они выполняют функции катализаторов и регуляторов обмена. Они находятся в состоянии постоянного изменения, распадаются и вновь образуются. Белки, которые сосредоточиваются в семенах, являются резервными. Во время прорастания семени они гидролизуются и служат источником аминокислот для синтеза новых белков в проростке.

Преобладающая часть почвенного азота входит в состав органического вещества. Это главным образом белковый азот. Главным источником азота, который используется растениями, являются минеральные формы азота. Они образуются в результате разложения азотистых органических соединений микроорганизмами. Процесс минерализации протекает в три этапа. На первом этапе образуется аммоний. Аммонификация осуществляется многочисленными неспециализированными микроорганизмами. Аммонийный азот в почвах слабо мобилен, поскольку вовлекается в обменные процессы с почвенным поглощающим комплексом. Независимо от типа почв, динамика его содержания довольно монотонна: наибольшее количество наблюдается весной, снижается летом и вновь возрастает осенью. На режим аммонийных соединений в почве существенно влияют гидротермические условия: при избыточном или недостаточном увлажнении холодной погоде количество их возрастает. В условиях континентального климата даже при высоком содержании аммонийного азота в почвах растения испытывают азотное голодание.

На следующем этапе аммоний подвергается окислению посредством жизнедеятельности микроорганизмов рода Nitrosomonas, образуя нитриты. Нитриты, как промежуточная форма в процессах нитрификации, накапливается в очень малых количествах и не играет заметной роли в питании растений. Затем нитриты окисляются до нитратов под воздействием Nitrobakter. Аммоний и нитриты быстро превращаются в нитраты, которые являются основной формой минерального связанного азота, поглощаемого растениями. Нитратная форма азота в отличие от аммонийного обладает высокой подвижностью, накопление ее в почве обусловливается активностью процесса нитрификации и интенсивностью потребления растениями в период вегетации. Накопление нитратного азота как продукта метаболизма микроорганизмов обусловливается уровнем плодородия почв, запасами свежего органического вещества, погодными условиями и агротехническими условиями. В связи с особенностями мерзлотного и водного режимов сибирских почв максимальная активность биологических процессов наблюдается в верхней части почвенного профиля. В агроценозах наиболее интенсивное накопление продуктов минерализации происходит в верхних слоях почвы – в пахотном и подпахотном.

Суммарное максимальное содержание этих соединений в почвах не превышает 1-1,5% от общего азота, и, тем не менее, от их накопления в почве зависит уровень продуктивности полевых культур.

Прогноз обеспеченности полевых культур азотом является наиболее сложным, поскольку в отличие от почвенной диагностики фосфорного и калийного питания, по азоту невозможно, в силу высокой мобильности его соединений, составить долгосрочные агрохимические картограммы. В течение теплого периода года обеспеченность растений доступными соединениями почвенного азота многократно меняется в зависимости от запасов органических азотсодержащих соединений, способных к разложению, от скорости и направленности процессов минерализации и иммобилизации, от интенсивности потребления и выноса элемента растениями.

Агротехнический метод определения обеспеченности полевых культур азотом

В практической деятельности агроном, фермер агрохимик не всегда имеют материалы по количественным характеристикам содержания доступного азота в почве. Однако соорентироваться по возможной обеспеченности культур элементом необходимо. В этом случае можно воспользоваться агротехническим методом, основанном на учете закономерностей нитратонакопления в зональных почвах в зависимости от агротехнического фона. Количество нитратного азота находится в прямой зависимости от агротехнических приемов – предшественника в севообороте, сроков и приемов основной обработки почвы, времени сева культур и интенсивности междурядных обработок пропашных культур. Наиболее активно процессы нитрификации развиваются в паровом поле. При соблюдении технологии подготовки пара в почве в течение теплого периода под влиянием естественного увлажнения и периодических механических обработок создаются благоприятные условия для минерализации накопленных за севооборот неспецифических органических веществ. На черноземных почвах, темно-серых, темно-каштановых и лугово-черноземных почвах в полуметровой толще парового поля в течение лета может накапливаться 120-210кг нитратного азота на 1 га пашни. Поэтому, на почвах с высоким потенциальным плодородием при посеве по пару, даже при интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур, необходимости в применении азотных удобрений не возникнет.

Таблица 1 Схема определения потребности полевых культур в азотных удобрениях на основе агротехнического подхода

Культура и предшественник	Содержание гумуса в почве, %
	<5%, подзолистые и серые лесные	5-10%, темно-серые лесные, черноземы; каштановые	>10%, черноземы и лугово-черноземные
Зерновые по пару	IV	IV	V
Зерновые по занятому пару	III	III	IV
Зерновые по раннему пласту многолетних трав	III	IV	IV
Зерновые по позднему пласту многолетних трав	II	III	III
Зерновые по обороту пласта	II	III	III
Зерновые по удобренным пропашным	II	III	III
Зерновые по зернобобовым	I	II	II
Зерновые по зерновым	I	I	II
Пропашные по обороту пласта	II	II	III
Пропашные по зерновым	I	I	II
Пропашные по пропашным	II	III	III
Пропашные по занятому пару	II	III	III
Многолетние травы по зерновым	I	I	II
Многолетние травы по травам	II	III	III

Роль парового предшественника как накопителя нитратов снижается на почвах с низким содержанием органического вещества. На светло-каштановых, светло-серых и дерново-подзолистых почвах под культуры, высеваемые по пару необходимо вносить дополнительно азотные удобрения.

Основная обработка почвы оказывает существенное влияние на накопление нитратного азота. Систематические безотвальные обработки в сравнении со вспашкой приводят к снижению содержания этой формы азота в 1,4 -1,7 раза. Ранняя зябь способствует более интенсивному прохождению процессов минерализации, а, следовательно, и повышению запасов доступного азота в почве (таблица 1.). Ранняя распашка многолетних трав (июль-август), в отличие от позднего подъема пласта (сентябрь-октябрь), позволяет создать благоприятные условия для прохождения процессов минерализации органических азотсодержащих веществ и образования высоких запасов минерального азота.

Под культурами сплошного посева в процессе текущей нитрификации накопление нитратного азота небольшое. Под воздействием междурядных обработок под пропашными культурами процессы мобилизации азота проходят в 1,3-1,6 раза интенсивнее, что приводит к лучшему обеспечению растений азотом. В связи с низкой биологической активностью почв под многолетними травами и быстрым потреблением растениями накопление минерального азота в течение лета крайне невысокое.

Этот метод наиболее прост в исполнении, но, несомненно, несколько условен, поскольку не имеет конкретных количественных характеристик содержания доступного азота.

Метод, несмотря на его ориентировочный характер, дает представление о возможной ситуации с азотным питанием растений на каждом поле севооборота при соблюдении агротехнических требований по обработке почв и возделывании полевых культур. Работа по предлагаемой схеме при отсутствии агрохимических анализов позволяет, ориентируясь на структуру использования пашни и особенности обеспеченности азотом, планировать потребность и размещение азотных удобрений в полях севооборота.

Агрохимический метод определения обеспеченности полевых культур азотом и определения потребности в азотных удобрениях

Наиболее достоверным методом прогноза обеспеченности полевых культур азотом и определения потребности в азотных удобрениях является ежегодное агрохимическое обследование. Этот подход, основанный на определении содержания нитратного азота, впервые был предложен А.Е.Кочергиным (1961, 1965) для черноземов Западной Сибири. В последующем он широко апробирован на разных почвах во всех зонах Сибири.

Агрохимическое обследование почв полей севооборотов на содержание подвижных форм минерального азота проводится подразделениями государственной агрохимической службы. На основании полевого отбора почвенных образцов, аналитического определения содержания азота в образцах и камеральной обработки материалов составляются рекомендации по применению азотных удобрений под полевые культуры. Одновременно рекомендуются приемы и дозы внесения азотных удобрений на полях под культуры, где выявлена недостаточная обеспеченность азотом.

Сроки отбора почвенных образцов. Агрохимическое обследование с целью диагностики обеспеченности озимых растений нитратным азотом во всех регионах проводят по сплошному и аналоговому принципу за 7-10 дней до посева. Прогноз обеспеченности азотом яровых зерновых культур на всех регионах Сибири можно проводить в два срока: поздней осенью или весной до посева. Содержание нитратов в течение периода осень-зима-весна не меняется или, как правило, изменения не выходят из того же класса обеспеченности.

Осеннее агрохимическое обследование проводят после торможения процессов минерализации, т.е. при затухании микробиологической деятельности. Такой период наступает при опускании среднесуточной температуры на глубине пахотного слоя ниже 10⁰С.

Весной агрохимическое обследование ограничено коротким периодом от оттаивания почвы до посева. Весенний отбор образцов целесообразнее проводить лишь для уточнения обеспеченности отдельных полей в тех хозяйствах, где осенью предшествовало агрохимическое обследование.

Глубина отбора образцов для диагностики определяется зональными и провинциальными особенностями почвенного покрова, гидротермического режима и интенсивности биологической активности почв той территории, где намечается проводить обследование.

Работами сибирских агрохимиков доказана возможность проводить агрохимическую диагностику обеспеченности нитратным азотом в слое почвы 0-40 см и 0-20 см. Перед массовым определением необходимо проводить контрольное взятие почвенных проб с глубины 0-20 и 20-40 см, что позволит уточнить наиболее оптимальную глубину при основном их отборе с учетом сложившихся гидротермических условий.

Методы агрохимических анализов почв. При массовом отборе почвенных образцов аналитическое определение нитратного азота проводится в зимний период в воздушно-сухих образцах.

Определение нитратного азота в лабораториях агрохимической службы проводится в соответствии с отраслевыми стандартами теми методами, которые приняты для агрохимических анализов почв. Извлечение нитратного азота из почвы проводится водой, растворами алюмо-калиевых квасцов или сульфата калия. Концентрация нитратов в вытяжках определяется с помощь. Ион-селективного электрода или на фотоколориметре.

При окончательных расчетах результаты анализов обязательно переводятся из нитратов (NO₃) в азот нитратов (N-NO₃) – коэффициент пересчета равен 0,226.

Градации обеспеченности почв азотом и потребности в азотных удобрениях. Уровни обеспеченности культур доступными соединениями минерального азота за счет почвенных запасов и потребности в дополнительном внесении азотных удобрений устанавливаются в соответствии с предлагаемыми градациями для каждого обследуемого слоя. Градации разработаны на основании полевых опытов по определению отзывчивости сельскохозяйственных культур на внесение азотных удобрений в зависимости от количества нитратного азота, содержащегося при агрохимическом обследовании и накопленном в процессе текущей нитрификации в период вегетации растений.

Для условий Сибири разработаны градации (Кочергин,1965), согласно которым:

при содержании нитратного азота в слое 0-40 см в мг/кг почвы -

<5, обеспеченность очень низкая,
5-10 – низкая,
10-15-средняя,
15-20 –высокая,
>20 – очень высокая.

При содержании N-NO₃ >20 мг/кг почвы внесение азотных удобрений не требуется. Эта группировка прошла длительную проверку во многих регионах Сибири.

Однако по содержанию нитратов в почве в течение вегетационного периода нельзя судить об уровне обеспеченности растений азотом. Проявление признаков недостатка элемента можно установить посредством методов растительной диагностики. Распад и ресинтез азотных соединений в растении происходит непрерывно, продукты ресинтеза могут перемещаться внутри растения и реутилизироваться. На молодых листьях признаки недостатка могут быть незаметны. В то же время на старых листьях отчетливо проявляется азотное голодание.

При лучшей обеспеченности растений азотом возрастает склонность растений к полеганию. Это является результатом того, что под влиянием азота увеличивается масса растений, но не повышается прочность нижних частей стебля. Это снижает сопротивление на излом.

Удобрение может задерживать созревание растений на 4-10 дней. Это чрезвычайно важное практическое значение в условиях Сибири с короткой продолжительностью вегетационного периода. Задержка созревания сопровождается повышенным полеганием и поражением растений стеблевой ржавчиной.

Таким образом, рациональное использование азотных удобрений дает возможность увеличить урожай полевых культур, улучшить качество растениеводческой продукции, повысить оплату 1кг азота внесенных туков и выход кормового белка в 1,5 раза.

Определение нитратного азота в почвах ионометрически экспресс-методом (лабораторная работа)

Материалы и оборудование: весы технические, дистиллированная вода, 1 н K₂SO₄,стаканчики на 50 мл, ионоселективный электрод, вспомогательные таблицы.

Сущность метода заключается в извлечении нитратов раствором сернокислого калия концентрацией (1/2 K₂SO₄) = 1моль/дм³ (1н) при соотношении массы пробы почвы и объема раствора 1:2,5 и последующем определении нитратов с помощью ионоселективного метода. Электроды погружаются в стаканчик с испытуемым раствором, ожидается успокоение стрелки прибора и производится отсчет по верхней шкале прибора. Ионселективный электрод используется для определения нитратного азота во всех почвенных разностях, кроме засоленных почв. Содержание азота нитратов (мг/кг) находят по вспомогательным таблицам. При окончательных расчетах результаты анализов обязательно переводятся из нитратов (NO₃) в азот нитратов (N-NO₃) –коэффициент пересчета равен 0,226

Для оценки обеспеченности почв нитратным азотом и установлении потребности сельскохозяйственных культур в азотных удобрениях рекомендуется использовать следующие градации, предложенные для Красноярского края (таблица 2).

Таблица 2 Шкала потребности почв нитратным азотом и определение потребности в азотных удобрениях

Класс	Содержание N-NO3, мг/кг	Обеспеченность азотом	Потребность в азотных удобрениях
1	<4,0	Очень низкая	Очень сильная
2	4,1-8,0	Низкая	Сильная
3	8,1-12,0	Средняя	Средняя
4	12,1-16,0	Повышенная	Слабая
5	16,1-20,0	Высокая	отсутствует
6	20,1-24,0	Очень высокая	отсутствует
7*	24,1-28,0
8*	>28

Примечание: 7-й и 8-й классы только для овощных культур

После расчетов:

1. Оцените содержание нитратного азота в почвенном образце по предлагаемым градациям;

2. Оцените уровень обеспеченности азотом и потребность в азотных удобрениях культур севооборота, ориентируясь на характер предшествующей культуры:

на черноземе выщелоченном:

а) 1) чистый пар; 2) яровая пшеница; 3) однолетние травы; 4) яровая пшеница.

б) 1) чистый пар; 2) озимая рожь; 3) кукуруза; 4) яровая пшеница

в) 1) горох; 2) яровая пшеница; 3) горох + овес; 4) овес.

г) 1) кукуруза; 2) яровая пшеница; 3) яровая пшеница с подсевом донника; 4) донник; 5) яровая пшеница.

г) 1) люцерна 1 г.п.; 2) люцерна 2 г.п.; 3) яровая пшеница; 4) овес; 5) кукуруза; 6) яровая пшеница.

На дерново-подзолистой почве:

а) 1) занятый пар; 2) озимая рожь; 3) яровая пшеница; 4)горох; 5) яровая пшеница; 6) подсолнечник; 7) яровая пшеница.

б) 1) занятый пар; 2) яровая пшеница; 3) овес; 4) горох; 5) яровая пшеница.

в) 1) горох + овес; 2) яровая пшеница; 3) яровая пшеница; 4) подсолнечник; 5) яровая пшеница.

На черноземе обыкновенном:

а) 1) корнеплоды; 2) яровая пшеница; 3) однолетние травы.

б) 1) донник; 2) кукуруза; 3) яровая пшеница + донник.

в) 1) кукуруза; 2) яровая пшеница; 3) горох + овес; 4) овес.

г) 1) кукуруза; 2) корнеплоды; 3) яровая пшеница; 4) горох.

г) 1) подсолнечник; 2) корнеклубнеплоды; 3) рапс.

2. Объясните полученный результат, предложите мероприятия способствующие накоплению нитратного азота в почве.