Баланс питательных элементов в почве
Баланс элементов питания – это математическое выражение круговорота элементов питания в земледелии. Определение баланса питательных элементов является научной основой планирования и прогнозирования применения минеральных удобрений, распределения их между районами и хозяйствами, позволяет целенаправленно регулировать плодородие, предохранять окружающую среду от загрязнения удобрениями. Баланс основных элементов питания отражает степень интенсификации сельскохозяйственного производства.
Баланс элементов питания в системе «удобрение – почва – растение» оценивается по разности между суммарным их количеством, поступившим в почву и отчуждаемым из нее. Таким образом, баланс питательных элементов в почве состоит из приходной и расходной частей. В приходную часть баланса входит поступление питательных элементов в почву с удобрениями, семенами, из атмосферы, в том числе азот, продуцируемый клубеньковыми бактериямибобовых культур (симбиотический) и свободноживущими бактериями – азотфиксаторами (несимбиотический азот). Расходная часть баланса включает хозяйственный вынос питательных элементов (с отчуждаемой с поля частью урожая), потери элементов питания из почвы и удобрений с поверхностными водами от вымывания, эрозии, испарения и газообразные потери (азота).
В результате сельскохозяйственного использования почвы претерпевают существенные изменения, при этом изменяется интенсивность процессов превращения и миграции элементов питания, потребления и вынос их растениями. Величина потребления и потерь элементов питания зависит от гранулометрического состава и степени окультуренности почвы, характера ее сельскохозяйственного использования, вида, доз и сроков использования удобрений, агротехнических приемов и других условий. Это делает необходимым периодическое уточнение приходных и расходных статей баланса элементов питания. Для объективной характеристики степени обеспеченности планиру 
емых урожаев элементами питания целесообразно иметь балансовые расчеты не менее чем за 5 лет.
Различают несколько видов баланса питательных элементов: полный (илибиологический, или экологический), внешнехозяйственный, хозяйственный и эффективный.
Полный баланс дает полное представление о кругообороте элементов, так как учитывает все источники поступления питательных элементов в почву (с удобрениями, семенами, из атмосферы, биологический азот) и все статьи расхода элементов питания (вынос с основной и побочной продукцией, отчуждаемой с поля, содержание в корневых и послеуборочных остатках, поверхностный сток, вымывание и газообразные потери).
При внешнехозяйственном балансе сопоставляются количество питательных элементов, отчуждаемое с территории хозяйства с товарной продукцией растениеводства и животноводства, и поступление их с минеральными удобрениями, комбикормами, органическими удобрениями, приобретаемыми хозяйством (торф, сапропели, лигнин, торфо-навозные компосты и др.). На внешнехозяйственный баланс влияет специализация хозяйства. Так, в хозяйствах, специализирующихся на производстве продукции животноводства и использующих собственные корма, с органическими удобрениями в почву возвращается 80–90 % калия, 60–70 – фосфора и 40–50 % азота, вынесенных с кормами. В хозяйствах зернового направления с территории хозяйства отчуждается 60–80 % азота, 70–85 – фосфора и 15–35 % калия от вынесенных урожаем.
Для характеристики баланса используется показатель интенсивности баланса–отношение поступления элементов питания к их расходу. Интенсивность баланса выражается в процентах или коэффициентами. Величина интенсивности баланса менее 100 % характеризует дефицитный, 100 % – бездефицитный и более 100 % – положительный баланс. Интенсивность баланса по азоту, фосфору и калию на пашне в Беларуси за 2001–2005 гг. была по азоту – 116, фосфору – 123, калию – 127 %.
Дефицитный баланс питательных элементов (превышение расхода над поступлением) предупреждает о том, что происходит истощение почв, снижение их плодородия.
Отчуждение из сферы сельскохозяйственного производства азота, фосфора и калия с товарной продукцией растениеводства и животноводства необходимо в полной мере компенсировать внесением минеральных удобрений.
Хозяйственный баланс питательных элементов составляется для оценки системы применения удобрений. Приведем методику его расчета, разработанную Институтом почвоведения и агрохимии. Приходные статьи баланса: поступление питательных элементов с минеральными удобрениями; с органическими удобрениями; симбиотический азот; с семенами; с атмосферными осадками; несимбиотический азот. Расходные статьи баланса элементов питания: вынос планируемыми урожаями; потери от вымывания (выщелачивания); потери от эрозии почв; газообразные потери азота.
Количество питательных элементов, поступающих с минеральными удобрениями, определяют по дозам для культур и находят среднее значение на 1 га севооборотной площади. Поступление с органическими удобрениями находят по насыщенности севооборота органическими удобрениями.
Пример. Насыщенность органическими удобрениями в севообороте – 12 т/га. С 1 т навоза крупного рогатого скота на соломенной подстилке поступает в почву 5,0 кг азота (табл. 14.11), а с 12 т – 60,0 кг, фосфора – 30,0 кг (2,5 ∙ 12), калия – 72,0 кг (6,0 ∙ 12).
Для определения количества биологического азота используют данные о величинах фиксированного из атмосферы азота, остающегося в почве после бобовых растений. Так, в расчете на 1 ц зеленой массы в почве остается симбиотического азота, сверх усвоенного растениями: после многолетних бобовых трав (кроме люцерны) – 0,35 кг, люцерны – 0,40, после многолетних бобово-злаковых смесей – 0,20 кг, после однолетних бобовых трав – 0,25 кг, однолетние бобово-злаковые травосмеси – 0,20 кг. Бобово-злаковые травы сенокосов и пастбищ на 1 ц зеленой массы оставляют в почве 0,15 кг азота. На 1 ц зерна люпин в чистом виде фиксирует 5,0 кг , кормовые бобы – 3,0, горох, пелюшка, вика, соя в чистом виде – 2,5, люпин в смеси с зерновыми культурами – 4,5, горох, пелюшка и вика в смеси с зерновыми культурами – 2,0 кг азота.
14.11. Поступление питательных элементов с органическими удобрениями , кг/т
| Вид органических удобрений | N | Р2О5 | К2О | СаО | MgO | SО4 * |
| Навоз КРС на соломенной подстилке | 5,0 | 2,5 | 6,0 | 4,0 | 1,1 | 0,2 |
| Навоз КРС на торфяной подстилке | 6,0 | 2,0 | 5,0 | 4,5 | 1,0 | 0,5 |
| Компост торфонавозный: | ||||||
| 1:1 | 5,0 | 1,6 | 4,0 | 3,5 | 0,6 | 0,3 |
| 1:2 | 5,5 | 1,8 | 4,5 | 4,0 | 0,8 | 0,4 |
| Солома (зерновые) | 4,0 | 1,5 | 10,0 | 2,0 | 1,0 | 1,5 |
| Навоз КРС жидкий | 2,0 | 1,0 | 2,5 | 0,5 | 0,4 | 0,1 |
| Навоз свиной жидкий | 2,5 | 0,9 | 1,8 | 0,6 | 0,2 | 0,1 |
| Навоз КРС полужидкий | 3,5 | 1,5 | 4,0 | 1,3 | 0,9 | 0,3 |
| Помет птичий (подстилочный) | 20,0 | 16,5 | 8,5 | 18,0 | 6,0 | 3,5 |
| Компост торфопометный: | ||||||
| 1:1 | 10,0 | 8,0 | 3,0 | 9,0 | 3,0 | 1,5 |
| 1:2 | 12,5 | 10,0 | 4,0 | 10,0 | 4,0 | 2,0 |
* Значения определены расчетно.
Пример. В севообороте площадью 900 га люпин занимает 100 га, клевер – 100 га. Урожайность зеленой массы люпина – 200 ц/га, клевера (зеленой массы) – 200 ц/га. После люпина в почве остается на 1 га 50 кг азота (200∙0,25), а на 100 га – 5000 кг. После клевера на 1 га остается 70 кг азота, на 100 кг – 7000 кг. Сумму остающегося после люпина и клевера азота делят на площадь пашни в севообороте и находят среднее количество симбиотического азота на 1 га: (5000 кг + 7000 кг) : 900 = 13,3 кг.
С семенами, по данным Института почвоведения и агрохимии, в среднем поступает 3 кг/га N, 1,3 – Р2О5, 1,5 – К2О, 0,3 – СаО, 0,1 – MgO, 0,2 кг/га S. С атмосферными осадками поступает 9,4 кг/га N, 0,5 – Р2О5, 10,3 – К2О, 25,3 – СаО, 5,0 – MgO и 36 кг/га S (SO4). Поступление азота, фиксированного свободноживущими бактериями, при расчете баланса на пахотных и лугопастбищных угодьях принимается на уровне 15 кг/га в год.
При расчете расходных статей баланса вначале определяют вынос питательных элементов планируемыми урожаями, используя данные табл. 2.5, затем определяются значения выноса основных питательных элементов в среднем на 1 га севооборотной площади. Потери элементов питания от вымывания (выщелачивания) и от эрозии почв приведены в табл. 14.12.
Газообразные потери азота на пахотных и лугопастбищных угодьях колеблются в пределах от 10 до 50 % от внесенного с удобрениями. В атмосферу выделяются молекулярный азот, закись, окись и двуокись азота, аммиак. По данным Института почвоведения и агрохимии, в Беларуси в среднем улетучивается 25 % азота, внесенного с минеральными и органическими удобрениями. По каждому элементу рассчитывается средневзвешенный показатель потерь с учетом количества эродированных почв в хозяйстве.
Пример. Из 2850 га пашни хозяйства 201 га – слабоэродированные почвы, 105 – средне- и 98 га – сильноэродированные почвы. Средневзвешенный показатель потерь азота от эрозии в расчете на 1 га пашни будет равен (5∙201+ +10∙105 + 15∙98) : 2850 = 1,2 (кг/га). На сенокосах и пастбищах потери элементов питания от вымывания и эрозии не учитываются. Сумма по статьям расхода показывает расход элементов питания в среднем на 1 га севооборотной площади.
14.12. Потери элементов питания от вымывания и эрозии на пахотных почвах, кг/га
| Почвы | N | Р2О5 | К2О | СаО | MgO | SО4 |
| Потери от вымывания | ||||||
| Дерново-подзолистые: | ||||||
| суглинистые | 0,2 | |||||
| супесчаные на морене | 0,1 | |||||
| супесчаные на песке | 0,1 | |||||
| песчаные | 0,1 | |||||
| Торфяные | 0,1 | |||||
| Потери от эрозии | ||||||
| Степень эродированности почвы: | ||||||
| слабая | 0,05 | |||||
| средняя | 0,10 | |||||
| сильная | 0,15 | |||||
| очень сильная | 0,20 |
Сопоставив приход с расходом, находят общий баланс и его интенсивность. Например, приход по азоту на 1 га равен 115 кг, а расход – 90 кг, т.е. общий баланс будет + 25 кг/га (115–90), а интенсивность баланса составит 127% [(115:90) ∙ 100].
Общий баланс основных питательных элементов (азот, фосфор, калий) принято считать удовлетворительным, когда его интенсивность приблизительно равна: по азоту – 110–120 % , по фосфору – 130–150, по калию – 120–150 %. По данным Института почвоведения и агрохимии, такие значения интенсивности баланса в производственных условиях обеспечивают продуктивность пашни на уровне 50–60 ц/га к.ед.
Оптимальные значения интенсивности баланса азота в зависимости от продуктивности пашни приведены в табл. 14.13.
14.13.Оптимальная интенсивность баланса азота в зависимости от продуктивности
| Продуктивность, ц/га к. ед. | Почвы | ||
| суглинистые и супесчаные на морене | супесчаные на песках и песчаные | ||
| Интенсивность баланса азота, % | |||
| Более 60 | 130–140 | – | |
| 51–60 | 120–130 | – | |
| 41–50 | 110–120 | 120–130 | |
| 20–40 | 100–110 | 100–110 | |
По результатам длительных стационарных полевых опытов, Институт агрохимии и почвоведения рекомендует оптимальные параметры интенсивности баланса фосфора и калия в зависимости от содержания их в почвах (табл. 14.14). По данным Института почвоведения и агрохимии и других научных учреждений, фосфор из почвы практически не вымывается и не загрязняет грунтовые воды. Поэтому при расчетах баланса потери фосфатов не учитываются.
14.14. Оптимальная интенсивность баланса в зависимости от обеспеченности почв
фосфором и калием
| Р2О5 | К2О | ||
| Содержание в почве, мг/кг | Интенсивность баланса, % | Содержание в почве, мг/кг | Интенсивность баланса, % |
| 150–180 | 180–200 | ||
| 101–150 | 130–150 | 81–140 | 150–180 |
| 151–200 | 100–120 | 141–200 | 120–150 |
| 201–300 | 50–70 | 201–300 | 80–100 |
| 301–400 | 40–50 | 50–60 |
Наряду с общим рассчитывается и эффективный баланс, который характеризует отношение между выносом растениями элементов питания и возможным их усвоением из поступивших в почву. Применив коэффициенты использования питательных элементов из удобрений, находят величины возможного их усвоения. Сопоставив величины возможного усвоения питательных элементов с выносом урожаем, получим характеристику эффективного баланса.
Пример. На 1 га севооборотной площади внесено 56 кг азота с минеральными удобрениями, с атмосферными осадками поступило 9 кг, всего – 65 кг, из них усвоится 60 %, т.е. 39 кг. С органическими удобрениями поступит 70 кг азота и еще 20 кг биологического (5 кг симбиотического и 15 кг несимбиотического), всего 90 кг/га азота. В первый год будет усвоено 25 % органического и биологического азота, или 22,5 кг (90 ∙ 0,25), вместе с минеральными формами – 61,5 кг (39+22,5). Растения на создание урожая используют 101 кг азота. Эффективный баланс характеризуется минусовым значением: 61,5–101,0 = –39,5 (кг/га). Интенсивность эффективного баланса по азоту будет равна 60 % (61,5:101 ∙ 100).
Аналогично рассчитываются эффективные балансы по фосфору и калию.
Для оценки системы применения удобрений по эффективному балансу проводится расчет возможного усвоения азота, фосфора и калия из почвенных запасов. Систему применения удобрений можно считать разработанной правильно в том случае, если дефицит элементов питания по эффективному балансу будет компенсироваться за счет возможного усвоения из почвы.
Пример. Для определения возможного усвоения элементов питания из почвенных запасов предварительно рассчитывают средневзвешенные значения содержания в почве гумуса, фосфора и калия по севообороту. Пусть в почве содержится 2 % гумуса и по 100 мг/кг почвы фосфора и калия. По данным Института почвоведения и агрохимии, растения могут усвоить из запасов почвы по 20–25 кг азота на каждый процент гумуса в почве. В нашем примере это составит 40–50 кг/га азота. Фосфор растения усваивают на уровне 6–8 % от запасов подвижных форм в почве, калий – 10–15 %. Запасы их в почве определяют умножением средневзвешенных значений их содержания на коэффициент 3. В нашем примере запасы фосфора и калия будут равны 300 кг/га (100 ∙ 3) каждого элемента. Таким образом, усвоится 18–24 кг/га фосфора (300 ∙ 0,06...0,08) и 30–45 кг/га калия (300 ∙ 0,1...0,15). Если принять эффективный баланс предыдущего примера 39,5 кг азота, то есть из почвы может быть усвоено 40–50 кг азота, то планируемые величины урожаев будут обеспечены питательными элементами и систему удобрений можно считать разработанной правильно.
При оценке системы применения удобрений по балансу питательных элементов прогнозируется изменение содержания в почве за ротацию севооборота подвижных форм фосфора и обменного калия. Поступление фосфора и калия за ротацию севооборота сверх расхода делят на норматив (табл. 14.15, 14.16) и определяют увеличение их содержания в почве. Результат суммируют с исходным содержанием и получают прогноз.
14.15. Нормативы затрат фосфорных удобрений сверх выноса с урожаем для увеличения
содержания подвижного фосфора на 10 мг/кг почвы, кг/га Р2О5
| Гранулометрический состав | рНKCl | Исходное содержание Р2О5, мг/кг почвы | |||
| Менее 60 | 61–100 | 101–150 | 151–250 | ||
| Суглинистые | 4,5–5,0 | ||||
| 5,1–5,5 | |||||
| 5,6–6,0 | |||||
| Супесчаные | 4,5–5,0 | ||||
| 5,1–5,5 | |||||
| 5,6–6,0 | |||||
| Песчаные | 4,5–5,0 | ||||
| 5,1–5,5 | |||||
| Торфяные | В среднем |
14.16. Нормативы затрат калийных удобрений сверх выноса с урожаем для увеличения
содержания подвижного калия на 10 мг/кг почвы, кг/га К2О
| Гранулометрический состав | Интенсивность баланса, % | Исходное содержание Р2О5, мг/кг почвы | ||
| Менее 80 | 81–140 | 141–200 | ||
| Суглинистые | ||||
| Супесчаные | ||||
| Песчаные | ||||
| Торфяные | В среднем |
Пример. Допустим, что ежегодно сверх выносимого урожаем в почве остается 65 кг/га Р2О5, т.е. за ротацию девятипольного севооборота поступит 585 кг/га Р2О5. В первые 4 года содержание в почве Р2О5 увеличивается до 147 мг/кг при исходном содержании на суглинистой почве 100 мг/кг и нормативе возмещения 51 кг/га на 10 мг/кг почвы (табл. 14.16). В последующие 5 лет норматив возмещения возрастает до 65 кг/га и содержание Р2О5 в почве увеличивается еще на 50 мг/кг, достигнув к концу ротации севооборота 200 мг/кг почвы. Таким образом, через девять лет содержание Р2О5 в почве должно составить 197 мг/кг. Аналогично прогнозируется содержание К2О.
Расчет баланса кальция, магния и серы. В приходной части баланса учитывается поступление этих элементов с известковыми, органическими и минеральными удобрениями, а также с осадками и семенами, в расходной части – вынос урожаем и потери от фильтрации и эрозии. Поступление кальция и магния с известковыми удобрениями рассчитывают по количеству известковых удобрений на 1 га. Например, в среднем на 1 га севооборотной площади будет ежегодно вноситься 1,1 т доломитовой муки, или 0,935 т СаСО3 (содержание СаСО3 – 85 %). Из табл. 14.17 находим количество СаО и MgO на 1 га, вносимое с известковыми удобрениями. С 935 кг СаСО3 поступает 280,5 кг СаО (30 ∙9,35) и 187 кг MgO (20 ∙ 9,35).
14.17. Содержание кальция, магния и серы в минеральных и известковых удобрениях
в расчете на 100 кг д.в. (N, Р2О5, К2О, СаСО3), кг
| Удобрения | СаО | MgO | S, % |
| Простой суперфосфат | – | ||
| Двойной суперфосфат | – | – | |
| Сульфат аммония | – | – | 24,2 |
| Сульфат калия | – | – | |
| Молотый известняк | – | – | |
| Молотый доломит | – | ||
| Молотый доломитизированный известняк | 5,0 | – | |
| Мел | – | – | |
| Гашеная известь | – | – | |
| Доломитовая мука | – | ||
| Дефекат | – | – | |
| Цементная пыль | 1,0 | 1,0 | |
| Сланцевая зола | – | ||
| Фосфогипс (40%-ной влажности, на 100 кг физической массы) | – | 17,7–20,6 | |
| Сульфат калия | 18,0 | ||
| Сульфат магния | 18,6 | ||
| Сульфат натрия | 22,6 |
По количеству минеральных удобрений на 1 га в д.в. определяют поступление СаО, MgO и S в почву. Например, на 1 га планируется внести 65 кг Р2О5 в виде двойного суперфосфата. С этим количеством Р2О5 поступает 20 кг СаО (65×31/100). В случае применения сульфата аммония и сульфата калия определяют количество действующего вещества, поступающее с этими видами удобрений на 1 га, и рассчитывают поступление серы, используя данные табл. 14.11.
Поступление кальция, магния и серы с органическими удобрениями рассчитывают с учетом насыщенности почвы последними и поступления этих элементов с удобрениями (см. табл. 14.11). Например, при насыщенности органическими удобрениями в севообороте 12 т/га в почву поступит 48 кг/га СаО (4×12), 13,2 кг/га MgO (1,1×12) и около 2,4 кг/га SО4 (0,2×12). С атмосферными осадками в почву поступает 25,3 кг/га СаО, 3,6 – MgO, 3,6 кг/га S, с семенами – соответственно 0,3; 0,1 и 0,2 кг/га. Суммируя результаты по статьям приходной части баланса, получим поступление кальция, магния и серы на 1 га севооборотной площади.
Вынос урожаем кальция, магния и серы рассчитывают аналогично тому, как это делается для азота, фосфора и кальция. Используя данные, приведенные в табл. 2.5, рассчитывают показатели выноса по каждой культуре и вычисляют средние значения на 1 га. Потери от вымывания и эрозии находят по табл. 14.12.
При известковании потери кальция за счет вымывания возрастают, особенно на легких почвах. По данным Института почвоведения и агрохимии, на почвах с рН (КС1) более 6 потери кальция возрастают в среднем на 40 % по сравнению со средними данными на почвах без известкования. На кислых почвах (рН менее 5) вымывание кальция примерно на 20 % ниже. Поэтому при расчете баланса кальция средний нормативный показатель потерь (табл. 14.12) на почвах с рН более 6 следует умножить на 1,4, а на почвах с рН менее 5 – на 0,8.
Влияние известкования на вымывание магния неоднозначно, так как в одних случаях катионы кальция ускоряют его вымывание из почвы, что обусловлено вытеснением магния из поглощающего комплекса, а в других – могут уменьшить вымывание магния, нейтрализуя кислотность почвы, которая способствует потерям магния за счет вымывания. В связи с этим при расчетах баланса магния используют нормативы потерь от вымывания, приведенные в табл. 14.12. Определяют расход на 1 га.
Сопоставив показатели по приходу и расходу, находят значения баланса и его интенсивность.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что понимается под балансом питательных элементов в почве?
2. Какое значение имеет баланс питательных элементов в почве для регулирования плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур?
3. Как оценить систему применения удобрений в севообороте по балансу питательных элементов?
4. Какие различают виды баланса элементов питания?
5. Как можно прогнозировать изменение плодородия почвы по балансу питательных элементов в ней?