Перерозподіл, вивільнення та мобілізація важкодоступних елементів живлення у різних ланках сівозміни

Різні культури в сівозміні не тільки виснажують ґрунт, а й можуть брати активну участь у трансформації елементів живлення, переводячи їх з недоступних форм у доступні для наступних культур. Особливо це стосується фосфору, калію, кальцію та деяких мікроелементів, які можуть перебувати у ґрунті у великих кількостях, але у формах, недоступних для більшості сільськогосподарських культур.

Карта ґрунтів

Інтерактивна карта ґрунтового покриву України

Фізико-хімічна основа доступності елементів живлення

Більшість елементів живлення існують у ґрунті у різних формах.

Три основні категорії:

• розчинні — безпосередньо доступні;
• обмінні — потенційно доступні;
• фіксовані — важкодоступні.

Читати також: Вплив мінеральних добрив на властивості ґрунту та ҐВК

Ключові фактори доступності елементів

• pH ґрунту. Визначає розчинність багатьох мінералів та сполук. При pH 6,0-7,5 доступність більшості макро- та мікроелементів знаходиться в оптимальному діапазоні. При зниженні pH до 5,5 і нижче різко знижується доступність фосфору, кальцію та магнію, але збільшується доступність заліза, марганцю, цинку та міді. При pH вище 7,5 знижується доступність фосфору, заліза, марганцю, бору та цинку.
• Окисно-відновний потенціал. Впливає на ступінь окислення елементів, що є критично важливим для заліза, марганцю та деяких інших елементів.
• Вміст органічної речовини. Органічні кислоти та продукти мікробіологічної діяльності сприяють вивільненню багатьох елементів із важкодоступних форм.
• Структура ґрунту. Визначає фізичну доступність елементів для кореневої системи та мікроорганізмів.

Дослідження 2018 року показали:

• на чорноземних ґрунтах при pH 6,8-7,2 доступність фосфору для рослин становить лише 10-15% від його валового вмісту;
• на дерново-підзолистих ґрунтах за pH 5,2-5,8 цей показник може знижуватися до 5-7%.

Читати також: Хімічна меліорація грунтів: меліоранти та їх застосування

Як зауважує Павло Маменко, к.б.н., головний спеціаліст з живлення і захисту рослин компанії «САНАГРО УКРАЇНА», pH, окисно-відновний потенціал і структура ґрунту працюють як одна система — тягнути за одну ниточку без інших не вийде. Найоптимальніше елементи живлення засвоюються при pH 6,0–7,0: і хімічно, і завдяки активним мікроорганізмам. Тому вапнування чи гіпсування варто планувати не як разову «пожежну» дію, а закладати в саму сівозміну — деякі культури й післяжнивні рештки самі підкислюють або підлужують ґрунт.

«Окисно-відновний потенціал — менш звичний показник, але дуже практичний: він показує, чи достатньо в ґрунті кисню. При ущільненні або перезволоженні ОВП падає, залізо й марганець переходять у важкодоступні або навіть токсичні форми, гальмується нітрифікація азоту. Найдієвіший спосіб тримати ОВП у нормі – не допускати ущільнення (розпушення, глибоко вкорінені культури в сівозміні) і стежити за вологістю поля», — пояснив фахівець.

Структура ґрунту — це фундамент для обох попередніх показників: комкувата, пориста структура забезпечує і аерацію (нормальний ОВП), і рівномірний розподіл вологи, від якої залежить pH прикореневої зони. Практичний висновок: коригувати ці три параметри варто комплексно — через підбір культур сівозміни, керування рештками та обробіток, а не лише разовим внесенням меліорантів.

Кореневі виділення як фактор мобілізації елементів живлення

Кореневі виділення (ексудати) — це складна суміш органічних кислот, цукрів, амінокислот, ферментів та інших сполук, що виділяються корінням рослин у навколишній ґрунт. Саме вони відіграють ключову роль у мобілізації важкодоступних елементів живлення.

Склад та інтенсивність виділення ексудатів сильно варіюються залежно від виду рослини, стадії розвитку та умов зростання. Культури сімейства хрестоцвітих (ріпак, гірчиця) та бобових (люпин, конюшина, люцерна) виділяють значно більше органічних кислот, особливо лимонної та яблучної. Це сприяє розчиненню фосфатів кальцію та алюмінію у ґрунті.

Наприклад, гречка здатна засвоювати фосфор із важкорозчинних фосфатів завдяки виділенню оксалатів та цитратів корінням. Дослідження 2015 року показали, що коріння гречки може знижувати pH в ризосфері на 0,7-1,2 одиниці в порівнянні з об'ємним ґрунтом, що значно збільшує розчинність фосфатів.

Для рослин виділення органічних кислот корінням — енерговитратний процес. На нього може витрачатися до 5-8% продуктів фотосинтезу. Цей механізм запускається в основному в умовах дефіциту елементів живлення. Це адаптивна реакція рослин.

На інтенсивність та склад кореневих ексудатів культурних рослин, каже Павло Маменко, можна впливати ззовні. І це один із недооцінених важелів. Рослина віддає в ґрунт до чверті продуктів фотосинтезу саме через корені — у вигляді цукрів, органічних кислот, амінокислот, якими «годує» корисні мікроорганізми і мобілізує важкодоступні елементи. Ця віддача не постійна, вона регулюється.

«Головний фактор керування — азотне живлення: як і скільки азоту отримує рослина, впливає на те, скільки і яких речовин вона виділяє коренем. Другий важіль — мікробіологічні препарати: бактерії-стимулятори росту (PGPR), потрапляючи в ризосферу, «підказують» кореню виділяти більше корисних речовин і самі виробляють гормони росту, які додатково стимулюють цей процес. Третій, менш керований, чинник — помірний стрес: при нестачі фосфору чи посусі рослина сама починає активніше виділяти органічні кислоти, щоб «видобути» елементи з важкодоступних форм», — розповідає Павло Маменко.

На практиці, радить він, впливати варто не на сам процес виділення напряму, а через баланс азотного живлення та якісну мікробіологічну інокуляцію — це і є реальні точки впливу ззовні.

Мікробіологічні процеси в різних ланках сівозміни

Мікроорганізми ґрунту — важливі посередники у трансформації елементів живлення. Їхня активність сильно залежить від культури сівозміни, а також від деяких ґрунтових характеристик, і може значно змінювати доступність елементів живлення.

Бобові культури, завдяки симбіозу з бульбочковими бактеріями, як фіксують азот атмосфери, також створюють сприятливі умови для розвитку інших груп ґрунтових мікроорганізмів. Дослідження показали, що після вирощування конюшини лучної біомаса мікроорганізмів у ґрунті збільшується на 10-15%.

Мікоризні гриби, що утворюють симбіоз з корінням близько 80% видів наземних рослин, значно розширюють зону поглинання елементів живлення за рахунок зовнішніх гіф, які проникають у ґрунтові пори, недоступні для кореневих волосків. Найактивніше мікоризи розвиваються у кукурудзи, соняшнику, багаторічних бобових трав.

За даними Smith та ін. 2008 року, мікоризна рослина може поглинати велику кількість фосфору через грибних симбіонтів, що особливо важливо при низькому вмісті доступного фосфору в ґрунті.

Читати також: Як дістати азот з повітря: промисловий процес, залучення бактерій і врахування атмосферного азоту у визначенні норми

Різні культури в сівозміні по-різному впливають на розвиток мікоризи. Хрестоцвіті (ріпак, гірчиця) не утворюють мікоризу і можуть навіть пригнічувати її розвиток для подальших культур за рахунок виділення ізотіоціанатів, які мають фунгіцидну дію. Це потрібно враховувати при плануванні сівозміни, особливо на ґрунтах із низьким вмістом доступного фосфору.

«Дослідження показують, що проміжні та змішані посіви стимулюють розвиток мікоризи сильніше, ніж просто чергування монокультур у класичній сівозміні. А ось надмірні дози фосфорних добрив діють у протилежний бік — рослина «ледачіє» і менше інвестує в симбіоз із грибами, коли фосфору й так вдосталь. На практиці потрібно обмежувати частку й частоту капустяних культур перед мікоризозалежними, менше «бити» ґрунт інтенсивним обробітком і фунгіцидами, які руйнують грибницю, і не перевищувати дози фосфору там, де хочемо зберегти активну мікоризу», — нагадує Павло Маменко.

Перерозподіл елементів живлення у ґрунтовому профілі

У різних культур різна глибина проникнення кореневої системи. Відповідно, різна зона поглинання елементів живлення. Завдяки цим відмінностям з'являються можливості для оптимізації сівозміни з точки зору використання елементів різних шарів ґрунту.

Глибоко вкорінені культури (люцерна, еспарцет, цукрові буряки або соняшник) можуть поглинати елементи живлення з глибини 1,5-2,5 м і навіть глибше. При цьому значна частина поглинених елементів концентрується в надземній біомасі і після розкладання рослинних решток стає доступною для подальших культур з менш розвиненою кореневою системою.

Фізіологічно цей процес забезпечується гідравлічним ліфтом — коли вода та розчинені в ній елементи живлення переміщаються від глибоких, часто більш вологих горизонтів ґрунту до поверхневих шарів через кореневу систему рослин. Цей процес найактивніший уночі, коли транспірація мінімальна, а кореневий тиск продовжує піднімати ґрунтовий розчин.

Процес «біологічного розпушування» ґрунту за допомогою глибоко вкорінених культур має фізіологічне пояснення. Коріння рослин, проникаючи в щільні шари ґрунту, не тільки механічно розсуває ґрунтові частинки, але й виділяє слиз (муцигель), який змащує шлях просування кореня та змінює фізичні властивості прилеглого ґрунту.

Симбіотична азотфіксація та її вплив на інші елементи живлення

Бобові культури завдяки симбіозу з бульбочками можуть фіксувати атмосферний азот. Однак їх вплив на живильний режим ґрунту виходить далеко за межі азотного збагачення.

Процес азотфіксації опосередковано впливає на доступність фосфору та інших елементів:

1. Для забезпечення високої активності нітрогенази — ферменту, який здійснює фіксацію N₂, бобові рослини виділяють значно більше органічних кислот у ризосферу. Це сприяє розчиненню важкодоступних фосфатів.
2. Самі бульбочкові бактерії продукують фосфатази, які гідролізують органічні фосфати ґрунту.

Для утворення та функціонування бульбочок потрібна достатня кількість молібдену, який входить до складу нітрогенази. Бобові рослини виробили механізми підвищеного поглинання молібдену, зокрема, закислення ризосфери та виділення специфічних хелаторів. Після відмирання бобових культур накопичений молібден доступний наступних культур сівозміни.

За даними Beringer та ін. 2013, симбіотичний апарат бобових може споживати до 20-25% продуктів фотосинтезу рослини-господаря. Це пояснює, чому бобові культури зазвичай залишають після себе менше рослинних решток у порівнянні із зерновими при тому ж рівні врожайності. Однак у цих залишків більш низьке співвідношення C:N — 20-30:1 проти 40-50:1 у зернових. Воно сприяє їх швидкій мінералізації та вивільненню елементів живлення.

Азотфіксація, зазначає Павло Маменко, це «домовленість» бобової рослини з бульбочковими бактеріями: рослина дає бактеріям цукри, ті натомість фіксують азот з повітря. Але ця домовленість працює добре лише за певних умов.

«По-перше, ґрунт має бути не надто кислим — оптимально pH вище 6,0, інакше бактерії погано виживають. По-друге, дуже важливо не заносити велику дозу мінерального азоту перед або одночасно з бобовою культурою: рослина завжди обирає «легший» шлях і при надлишку готового азоту в ґрунті просто не утворює достатньо бульбочок і не фіксує азот з повітря. По-третє, інокуляція насіння штамом бульбочкових бактерій, підібраним саме під цю культуру й цей ґрунт, працює набагато краще за універсальні препарати — місцеві дикі штами часто конкурують з інокулянтом і «перемагають», якщо він підібраний неправильно», — пояснив фахівець.

Він радить розміщувати бобову культуру в ланці з мінімальним залишковим азотом, вапнувати за потреби заздалегідь та обов’язково інокулювати насіння цільовим препаратом.

Сидерати та їх роль у мобілізації елементів живлення

Основна мета сівби сидеральних культур — не отримання товарної продукції, а покращення живильного режиму ґрунту. Крім впливу на баланс органічних речовин, сидерати відіграють важливу роль у мобілізації важкодоступних елементів живлення.

Читати також: Отримати вегетативну масу сидерата на півдні вкрай проблематично, а зиск з покривної культури — реально

Найбільш ефективними сидератами-мобілізаторами вважаються:

• Біла гірчиця та олійна редька: виділяють ізотіоціанати і тим самим сприяють вивільненню фосфору з органічних сполук та мінеральних фосфатів.
• Гречка: виділяє органічні кислоти — ефективно мобілізує фосфор та калій.
• Фацелія: накопичує кальцій і магній, роблячи їх більш доступними для подальших культур.
• Люпин: один із лідерів із засвоєння фосфору з важкорозчинних сполук.

Сидерати заорюють у ґрунт у період максимальної фізіологічної активності — бутонізації-початку цвітіння, коли вміст фітогормонів та біологічно активних речовин у рослинних тканинах найбільш високий. Ці сполуки стимулюють активність ґрунтової біоти, яка бере участь у кругообігу елементів живлення.

«Один вид сидерату сам по собі працює гірше за грамотну суміш — це підтверджено на практиці. Оптимальна суміш повинна поєднувати щонайменше три «ролі», — підкреслив Павло Маменко.

• Бобовий компонент (люцерна, конюшина, вика, люпин) — дає біологічний азот і особливо активно мобілізує фосфор, залізо й марганець через виділення органічних кислот корінням.
• Капустяний компонент (гірчиця, редька олійна) — швидко підкислює прикореневу зону і «розчиняє» зв'язаний фосфор, при цьому не заважає мікоризі, бо сама в ній не бере участі.
•  Злаковий або глибоко вкорінений компонент (жито, овес, редька олійна) — дістає фосфор і калій з нижніх шарів ґрунту та формує канали (біопори), якими потім піде коріння наступної культури.

Дослідження підтверджують: змішані посіви сидератів дають і більше біомаси, і більше мобілізованого фосфору, ніж будь-яка культура окремо — головне не просто змішати «що є», а підібрати компоненти під три різні функції.

Роль пожнивних залишків у перерозподілі елементів живлення

При розкладанні рослинних решток відбувається вивільнення елементів живлення, а також утворення органічних кислот та інших сполук, які сприяють мобілізації важкодоступних форм елементів.

Дослідження 2014 року показали, що при розкладанні 1 т соломи у ґрунті утворюється близько 80 кг органічної речовини, близько 15-20 кг/га азоту, 5-7 кг/га фосфору та 25-30 кг/га калію. Крім того, збільшується доступність елементів із ґрунтових запасів за рахунок стимуляції мікробіологічної активності.

Розкладання рослинних залишків — це насамперед мікробіологічний процес, у ході якого елементи живлення, особливо азот, тимчасово іммобілізуються в біомасі мікроорганізмів, а потім поступово вивільняються. Цей процес може призводити до так званого азотного голодування при заорюванні рослинних залишків із широким співвідношенням C:N (>25:1), що необхідно враховувати в системі удобрення.

Лігнін та інші складові компоненти рослинних залишків при їх трансформації утворюють попередники гумінових речовин, які можуть утворювати комплекси з іонами металів, впливаючи на їхню рухливість у ґрунті. Цей процес особливо важливий для мікроелементів, таких як цинк, мідь та марганець.

Коригування мінерального живлення з урахуванням біологічної активності

Враховуючи усі описані процеси, варто приділити увагу оптимізації системи добрив. Ось основні принципи коригування:

• Після бобових попередників дози азотних добрив можуть бути знижені на 20-40 кг/га діючої речовини залежно від виду бобової культури та умов її вирощування.
• Після сидератів-фосфоромобілізаторів (гірчиця, редька, люпин) доцільним є зниження доз фосфорних добрив на 15-25% без шкоди для врожайності наступних культур.
• Після глибоко вкорінених культур (люцерна, еспарцет, соняшник) спостерігається «наслідок» у вигляді підвищеної доступності калію, кальцію та магнію з підорних горизонтів.

Дослідження показали, що на дерново-підзолистих ґрунтах після конюшини лугової агрономічна ефективність азотних добрив під яру пшеницю знижувалася на 20-25% порівняно з посівами лише із застосуванням азотних добрив, що дозволило відповідно коригувати дози добрив.

Цифрові технології для точного та ефективного внесення добрив

Не допускати зайвих витрат на добрива без втрати врожайності допомагають цифрові послуги для точного землеробства. Цифрові платформи дають можливість фіксувати результати агрохімічного аналізу ґрунту в зручному інтерфейсі та на їх основі:

• автоматично розраховувати норми внесення добрив;
• формувати готові карти розпоряджень для розкидачів.

Читати також: 5 постулатів для старту точного землеробства від Smart Farming

Таким чином можна контролювати якість роботи техніки і механізаторів, відстежувати нецільову витрату добрив, вести в одному вікні облік доходів і витрат, щодня вимірювати собівартість польових робіт.

Практичні рекомендації щодо оптимізації сівозмін

У сівозміни радять включати культури з різною глибиною проникнення кореневої системи. Це потрібно для ефективного використання елементів живлення всього шару. Оптимальне співвідношення рослин з мичкуватою та стрижневою (глибокою) кореневою системою — приблизно 3:1.

У кожну 4-5-пільну сівозміну бажано включати як мінімум одну бобову культуру для збагачення ґрунту біологічним азотом та стимуляції мікробіологічної активності.

Проміжні сидеральні культури потрібно підбирати з урахуванням їхньої здатності мобілізувати елементи живлення. Наприклад, перед культурами, вимогливими до фосфору (кукурудза, картопля) варто сіяти гірчицю або люпин.

Після культур, які залишають велику кількість рослинних залишків із широким співвідношенням C:N (кукурудза, зернові), слід застосовувати компенсуючі дози азотних добрив (10 кг N на 1 т соломи). Таким чином вдасться запобігти іммобілізації азоту.

Додаткове внесення мікроелементів особливо ефективне після культур, які здатні переводити їх у більш доступні форми: бобові — молібден, хрестоцвіті — марганець та бор.

Варто включати в сівозміну «поліпшуючих» попередників перед найвибагливішими культурами. Наприклад, після конюшини або люцерни ефективно сіяти культури з високою потребою в азоті та кальції — пшеницю, кукурудзу. А після гречки чи гірчиці — культури, вибагливі до фосфору — картопля, цукрові буряки.

Сівозміну, за словами Павла Маменка, варто сприймати як частину системи удобрення, а не окремо від неї. Три речі тут головні:

• Післяжнивні рештки. Якщо їх залишати в полі, а не вивозити, азот тимчасово «зв'язується» мікроорганізмами для розкладання соломи, тож норму азотного добрива під наступну культуру варто трохи підняти саме в перший рік, а надалі рештки самі стають джерелом живлення.
• Послідовність культур. Бобовий попередник дозволяє суттєво знизити дозу азоту під наступну культуру за рахунок біологічно фіксованого азоту. У системах без оранки чергування, наприклад, кукурудзи з соєю стабільно дає кращий результат і по врожаю, і по ефективності використання добрив, ніж монокультура.
• Глибоко вкорінені культури. Вони природним чином «пробивають» ущільнені шари й піднімають малорухомі елементи (фосфор, калій, мідь, цинк) з нижніх горизонтів ближче до поверхні, частково замінюючи механічне глибоке розпушення.

На практиці, наголошує експерт, норму добрив варто планувати не за середньою цифрою «на культуру», а з урахуванням того, що лишилось у ґрунті від решток і бобового попередника, і того, які культури в сівозміні вже попрацювали над структурою профілю.

FAQ

Як правильно підібрана сівозміна дозволяє знизити витрати на мінеральні добрива?

Грамотна сівозміна дозволяє зменшити дози добрив за рахунок біологічної мобілізації поживних елементів із ґрунту. Бобові фіксують азот з повітря, гречка і хрестоцвіті розчиняють важкодоступні фосфати кореневими виділеннями, а культури, що глибоко укорінюються (люцерна, соняшник), піднімають елементи живлення з глибини 1,5–2,5 м у верхні горизонти.

Чому більша частина елементів живлення в ґрунті недоступна рослинам?

Більшість валового запасу елементів живлення перебуває у зв'язаних формах, які рослини неспроможні засвоїти напряму. Наприклад, у чорноземах доступно лише 10-15% фосфору, а в дерново-підзолистих ґрунтах — всього 5-7%, при цьому на доступність сильно впливають pH ґрунту, вміст органіки та активність мікробіоти.

Як цифрові технології дозволяють заощаджувати на добривах?

Цифрові платформи дозволяють вносити добрива у тих дозах, які дійсно потрібні конкретній ділянці поля. Система візуалізує результати агрохімічного аналізу ґрунту, автоматично розраховує норми та формує карти диференційованого внесення для техніки.

Чи можна повністю відмовитися від мінеральних добрив, якщо правильно організувати сівозміну?

Повністю відмовитися від добрив не можна, але можна значно скоротити їх застосування. Біологічні механізми (азотфіксація, мікориза, мобілізація елементів живлення, надходження органічної речовини з кореневими та пожнивними залишками) компенсують частину виносу, проте за високого планового врожаю запасу ґрунтової родючості недостатньо.

Через скільки років після введення науково обґрунтованої сівозміни проявляється ефект економії на добривах?

Перші результати помітні вже на 2-3 рік, а стійкий ефект формується через 4-6 років — за повний цикл ротації культур.

Головна тема

Осіння посівна 2027

Олена Басанець, SuperAgronom.com