Под биологическим круговоротом элементов питания на земле понимается совокупность процессов поступления химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, биохимический синтез новых сложных соединений и возвращение элементов в почву и атмосферу с ежегодным растительным ападом части органического вещества, остатков корней.

Для оптимизации питания растений очень важно оценить направленность круговорота биогенных элементов и степени интенсивности антропогенного воздействия на систему почва – растение по балансу элементов питания в агроценозе. Агрохимия, с одной стороны, исследует влияние разных типов почв и удобрений на обмен веществ в растении, на формирование урожая, его величину и качество, с другой – изучает влияние растений на плодородие почвы, взаимоотношения почвы и удобрений. В связи с этим одной из задач агрохимии является изучение круговорота элементов питания в земледелии. Круговорот веществ в земледелии представлен на рис. 1.

Создание необходимых условий для рационального круговорота питательных веществ в земледелии, их положительный баланс на почвах, недостаточно плодородных, и бездефицитный на окультуренных – важнейшая задача агрохимии.

Оценка состояния баланса элементов питания в системе почва – растение – удобрение является важной характеристикой эффективности использования минеральных и органических удобрений в сельскохозяйственном производстве.

Показатели баланса отражают пути превращения и расхода элементов питания минеральных и органических удобрений, долю элементов питания, продуктивно используемую и отчуждаемую растениями из почвы и воспроизводимую за счет органических и минеральных удобрений. Баланс элементов питания в системе почва – растение – удобрение составляет часть общего процесса взаимодействия элементов питания и относится к малому биологическому круговороту.

Баланс – термин, заимствованный из экономики, который характеризует равенство прихода и расхода.

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.

Рис. 1. Круговорот веществ в земледелии

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 бактериями бобовых 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 планируемых урожаев элементами питания целесообразно иметь балансовые расчеты не менее чем за 5 лет.

Различают несколько видов баланса питательных элементов: биологический (полный или экологический), внешнехозяйственный, хозяйственный, дифференцированный и эффективный.

Биологический (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.

Дифференцированный – при расчетах этого вида баланса количество минеральных удобрений относится не на всю площадь земель, а только на площадь их первоочередного использования.

Эффективный – определяется с учетом возможных коэффициентов использования элементов питания в год их внесения или за ротацию севооборота.

Баланс элементов питания оценивается показателями дефицита элементов питания или их избытком, интенсивностью, структурой, емкостью, реутилизацией и утилизацией.

Дефицит или избыток элементов питания представляет разницу между всеми источниками их поступления и расхода и выражается в абсолютных (кг, т) или относительных величинах на всю площадь или единицу площади.

Емкость – сумма выноса из почвы и всех статей возмещения элементов питания. Она характеризует мощность круговорота веществ. Чем больше емкость, тем интенсивнее земледелие в исследуемом регионе, области, хозяйстве.

Структура – характеризует долевое участие отдельных статей прихода и расхода элементов питания. Анализ структуры баланса позволяет оценить источники поступления, затраты на производство единицы продукции.

Реутилизация – определяется как отношение поступления в почву элементов питания с органическими удобрениями к выносу их урожаем, т. е. реутилизация характеризует повторное использование элементов питания, поступивших с минеральными удобрениями, через растениеводческую продукцию (корм животных, солома), прошедшую через животноводческие фермы и возвращаемую на поле в виде навоза.

Для характеристики баланса используется также 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.

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.

В практике агрохимического обслуживания сельскохозяйственного производства, а также в научных исследованиях наиболее широко применяется расчет хозяйственного баланса.

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.

Хозяйственный баланс элементов питания определяется как разность между суммами приходной и расходной статей и выражается в кг/га:

Приходные статьи:

• П_NPK – приход элементов питания, кг/га (пашни, сельскохозяйственных угодий, сенокосов и пастбищ);
• П_му – приход с минеральными удобрениями, кг/га;
• П_оу – приход с органическими удобрениями, кг/га (П_оу = Н · С, где Н – доза органического удобрения, т/га;
• С – содержание элемента питания, кг/т);
• П_о – приход с осадками, кг/га;
• П_с – приход с семенами, кг/га;
• П_б – биологический азот, фиксированный бобовыми культурами, кг/га;
• П_н – несимбиотический фиксированный азот, кг/га;
• *П_б и П_н – учитываются только при расчете азота;
• П_с – приход азота, фосфора и калия.

Расходные статьи:

• Р_вын – вынос элементов питания урожаем сельскохозяйственных культур, кг/га;
• Р_выщ – потери от вымывания (выщелачивания), кг/га;
• Р_эр – потери от эрозии почв, кг/га;
• Р_г – газообразные потери азота, кг/га.

По данным последнего 13-го тура агрохимического обследования почв Республики Беларусь (2013–2016 гг.) средневзвешенная величина рН_KCl пахотных почв составила 5,84, содержания гумуса 2,25 %, подвижного фосфора и калия по методу Кирсанова 188 и 196 мг/кг почвы соответственно.

По сравнению с 12-м туром агрохимического обследования (2009– 2012 гг.) средневзвешенный показатель рН_KCl снизился на 0,05 (с 5,89 до 5,84), содержание гумуса возросло на 0,02 % (с 2,23 до 2,25 %). Содержание подвижного фосфора снизилось на 3 мг/кг (с 191 до 188 мг/кг) и подвижного калия возросло на 12 мг/кг (с 206 до 218 мг/кг почвы).

Таким образом, благодаря интенсивному применению удобрений и известкованию пахотные почвы Республики Беларусь по принятой градации в среднем относятся к слабокислым, имеют повышенное содержание гумуса, подвижного фосфора и калия, что является предпосылкой при интенсивном применении удобрений для получения достаточно высоких урожаев возделываемых в республике сельскохозяйственных культур.

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 составляет 12 т/га. С 1 т навоза крупного рогатого скота на соломенной подстилке поступает в почву 5,0 кг азота (табл. 4.1), 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 кг, после многолетних бобово-злаковых смесей – 0,20 кг, после однолетних бобовых трав – 0,25 кг, однолетних бобово-злаковых травосмесей – 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 кг, горох, пелюшка, вика, соя в чистом виде – 2,5 кг, люпин в смеси с зерновыми культурами – 4,5 кг, горох, пелюшка и вика в смеси с зерновыми культурами – 2,0 кг азота.

Таблица 1. Поступление питательных элементов с органическими удобрениями, кг/т

*Значения определены расчетно.

Пример. В севообороте площадью 900 га люпин занимает 100 га, клевер – 100 га. Урожайность зеленой массы люпина составляет 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 га – 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 кг/га Р₂О₅, 1,5 кг/га К₂О, 0,3 кг/га СаО, 0,1 кг/га MgO, 0,2 кг/га S. С атмосферными осадками поступает 9,4 кг/га N, 0,5 кг/га Р₂О₅, 10,3 кг/га К₂О, 25,3 кг/га СаО, 5,0 кг/га MgO и 36 кг/га S (SO₄). Поступление азота, фиксированного свободноживущими бактериями, при расчете баланса на пахотных и лугопастбищных угодьях в Республике Беларусь принимается на уровне 15 кг/га в год.

При расчете расходных статей баланса вначале определяют вынос питательных элементов планируемыми урожаями, используя данные табл. 5, затем определяют 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. 2.

Таблица 2. Потери элементов питания от вымывания и эрозии на пахотных почвах, кг/га

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 Республике Беларусь из пахотных почв 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 составляют 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.

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 Республики Беларусь, 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. 3.

Таблица 3. Оптимальная интенсивность баланса азота в зависимости от продуктивности пашни

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. 4). 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.

Таблица 4. Оптимальная интенсивность баланса в зависимости от обеспеченности почв фосфором и калием

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 равным 39,5 кг азота, т. е. 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. 4.5 и 4.6) и определяют увеличение их содержания в почве. Результат суммируют с исходным содержанием и получают прогноз.

Таблица 5. Нормативы затрат фосфорных удобрений сверх выноса с урожаем для увеличения содержания подвижного фосфора на 10 мг/кг почвы, кг/га Р2О5

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. 6). 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.

Таблица 6. Нормативы затрат калийных удобрений сверх выноса с урожаем для увеличения содержания подвижного калия на 10 мг/кг почвы, кг/га К2О

Расчет баланса питательных элементов в почвах пахотных земель РУП «Институт почвоведения и агрохимии» показал, что баланс азота в 2011–2015 гг. составил 29,3 кг/га, фосфора – 25,7 и калия – 65,2 кг/га при рентабельности баланса 121, 171 и 154 %. Это позволило поддерживать достигнутое ранее содержание фосфора и калия в пахотном слое почвы при увеличении содержания фосфора на 5 мг с 187 мг/кг в 2008–2011 гг. до 192 мг/кг в 2012–2015 гг. соответственно. В 2011– 2015 гг. на 1 га пашни было внесено 263 кг NPK и 10,1 т/га органических удобрений при продуктивности сельскохозяйственных культур 44,9 ц к. ед/га. Для производства продукции земледелия на уровне 50 ц к. ед/га необходимо применять не менее 260–280 кг/га NPK при минимальном внесении 40 кг/га фосфатов.

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 (содержние СаСО₃ – 85 %). Из табл. 7. 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).

Таблица 7. Содержание кальция, магния и серы в минеральных и известковых удобрениях в расчете на 100 кг д. в. (N, Р2О5, К2О, СаСО3), кг

По количеству минеральных удобрений на 1 га 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. 7.

Поступление кальция, магния и серы с органическими удобрениями рассчитывают с учетом насыщенности почвы последними и поступления этих элементов с удобрениями (см. табл. 1). 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. 5, рассчитывают показатели выноса по каждой культуре и вычисляют средние значения на 1 га. Потери от вымывания и эрозии находят по табл. 2.

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 (см. табл. 2) 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. 2. Определяют расход на 1 га.

Сопоставив показатели по приходу и расходу, находят значения баланса и его интенсивность.