Физиологические основы применения удобрений

Обновлено: 05.10.2024

Уровень урожайности является интегральным показателем культуры земледелия и квалификации агронома. Для получения высоких урожаев не достаточно иметь соответствующие удобрения и сельскохозяйственные машины. Нужно также хорошо знать биологические особенности питания возделываемых культур, динамику потребления ими элементов и грамотно удовлетворить эти потребности растений. Причина низкой урожайности, наряду с лимитирующими материальными ресурсами, часто является незнание или несоблюдение требований возделывания сельскохозяйственных культур. В свое время Д.Н. Прянишников писал, что недостаток знаний нельзя заменить избытком удобрений.
Минеральное питание является важнейшей функцией растений обусловливающей их рост и развитие. Благодаря автотрофному питанию - усвоению CO2 из воздуха в результате фотосинтеза и способности синтезировать сложные органические соединения из простых неорганических веществ для построения своих тел, растения приобрели полную независимость от других организмов и готовых источников энергии.
Растения способны усваивать питательные вещества, как через корни, так и надземные органы (листья, стебли, незрелые плоды). Однако основные органы, с помощью которых питаются растения - это лист и корень. Их размер и состояние в значительной мере обусловливают продуктивность посевов. Листья обеспечивают растения углеродным питанием (CO2), корни выполняют несколько функций, главными из которых являются поглощение из почвы минеральных веществ и воды.
Следует отметить, что в процессе эволюции растения не утратили способность потреблять из воздуха необходимые им питательные вещества даже при малом их содержании. Через надземные органы (в основном листья) в растения поступают преимущественно CO2 и O2, однако, они не лишены также способности усваивать своей поверхностью элементы питания находящиеся в ионной форме, что широко используется в практике сельского хозяйства. С помощью некорневых подкормок зерновых культур азотными удобрениями, овощных и плодовых культур - микроудобрениями, можно в значительной мере компенсировать дефицит элементов в растениях и существенно повысить урожайность и/или качество продукции.
Несмотря на способность надземных органов усваивать элементы питания, основная роль в снабжении растений питательными веществами принадлежит корневой системе. Скорость поглощения элементов питания корнями и транспорт их в надземные органы растения, где они включаются в метаболические процессы, является важнейшей индивидуальной особенностью растений, определяющей интенсивность их роста и развития.
Поскольку преобладающая часть используемых растениями элементов питания находится в почве в адсорбированном, малоподвижном состоянии, то обеспеченность растений питательными элементами во многом зависит от размера и морфологического строения корневой системы. Чем мощнее и разветвленнее корневая система у растений, тем больший объем почвы она охватывают и тем выше ее возможности усваивать элементы питания из почвы.
Корневая система распределена в почве неравномерно. У каждого вида и даже сорта растений имеются свои особенности по глубине проникания и распространению корневой системы в отдельных горизонтах почвы (табл. 3.1). Исследования показали, что характер распространения и развитие корневой системы в почве зависит от ее строения, физических свойств, агротехнических и экологических факторов. В дерново-подзолистых почвах основная масса корней большинства растений находится в пахотном горизонте. В черноземах и каштановых почвах большая часть активных корней в засушливый период в поисках влаги и пищи проникает в подпахотные горизонты почвы, что необходимо учитывать при расчете доз и глубины внесения удобрений.

Физиологические основы потребности сельскохозяйственных культур в удобрениях

В естественных биоценозах поглощенные из почвы соединения частично возвращаются с опавшими листьями, ветками, хвоей. С убранным урожаем сельскохозяйственных растений поглощенные вещества из почвы устраняются. Величина выноса минеральных элементов зависит от вида растения, урожайности и почвенно-климатических условий. Овощные культуры, картофель, многолетние травы выносят больше элементов питания, чем зерновые.

Для предотвращения истощения почвы и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур необходимо внесение удобрений. Сопоставляя количество элементов в почве и растении с величиной урожая Ю. Либих сформулировал закон минимума или закон ограничивающих факторов. Согласно этому закону величина урожая зависит от количества того элемента, который находится в почве в относительном минимуме. Увеличение содержания этого элемента в почве за счет внесения удобрений будет приводить к возрастанию урожая до тех пор, пока в минимуме не окажется другой элемент. Позже было установлено наличие у растений критических периодов по отношению к тому или иному минеральному элементу, то есть периодах более высокой чувствительности растений к недостатку этого элемента на определенных этапах онтогенеза. Это позволяет регулировать соотношение питательных веществ в зависимости от фазы развития и условий среды. Так, известно, что в осенний период для озимых культур не рекомендуется вносить азотные удобрения, так как они усиливают ростовые процессы, снижая устойчивость растений. В осенний период надо проводить подкормки фосфором и калием, а весной азотом.

С помощью удобрений можно регулировать не только величину урожая, но и его качество. Так, для получения зерна пшеницы с высоким содержанием белка надо вносить азотные удобрения, а для получения продуктов с высоким содержанием крахмала (например, зерна пивоваренного ячменя или клубни картофеля) необходимы фосфор и калий. Внекорневая подкормка фосфором незадолго до уборки усиливает отток ассимилятов из листьев сахарной свеклы к корнеплодам и тем самым увеличивает ее сахаристость.

2. Система удобрений - это программа применения удобрений в севообороте с учетом растений-предшественников, плодородия почвы, климатических условий, биологических особенностей растений, состава и свойств удобрений. Система удобрений создается с учетом круговорота веществ и их баланса в земледелии. Баланс питательных веществ учитывает поступление их в почву с удобрениями, суммарный расход на формирование урожаев и непродуктивные потери в почве. Необходимое условие функционирования системы удобрений - это предотвращение загрязнения окружающей среды вносимыми в почву химическими соединениями.

Удобрения подразделяют на минеральные и органические, промышленные (азотные, калийные, фосфорные, микроудобрения, бактериальные) и местные (навоз, торф, зола), простые (содержат один элемент питания - азотные, калийные, борные) и комплексные (содержат два или более питательных элементов). Среди комплексных удобрений выделяют сложные и комбинированные. Сложные удобрения в составе одного химического соединения содержат два или три питательных элемента, например, калийная селитра (KNO3), аммофос (NH4H2PO4) и другие. Одна гранула комбинированных удобрений включает два или три основных элемента питания в виде различных химических соединений, например, нитроаммофоска.

До посева вносят 2/3 общей нормы удобрений. Они должны обеспечить растение на весь период развития элементами питания и повысить плодородие почвы. Припосевное удобрение в виде хорошо растворимых соединений вносят малыми дозами одновременно с посевом или посадкой растений для обеспечения минерального питания молодых растений. Послепосевные внекорневые подкормки, основанные на способности листьев поглощать минеральные соли в растворе, проводятся для усиления питания растений в наиболее важные периоды их развития.

Лекция №17


Основоположник учения о рациональном питании растений К. А. Тимирязев писал, что для обеспечения урожая необходимо прежде всего знать потребности растения и уметь их удовлетворять. Питание — это сложный, многогранный и интегральный процесс, связанный с фотосинтезом, водообменом, усвоением минеральных веществ и дыханием растения, зависимый от комплекса экзогенных и эндогенных факторов.

Для усовершенствования существующих и разработки новых приемов эффективного использования минеральных удобрений, производство которых в нашей стране с каждым годом увеличивается, физиология растений и агрономическая химия разрабатывают теоретические вопросы питания растений, к которым относятся изучение механизмов поглощения и превращения элементов минерального питания корневой системой и взаимосвязь его с другими функциями растительного организма.

Для рационального и эффективного применения удобрений необходимо знать качественные и количественные индексы потребности растения в элементах минерального питания в онтогенезе для создания запланированного урожая, индексы степени плодородия почвы, возможные коэффициенты использования питательных веществ, находящихся в почве и вносимых с удобрениями, а также обеспеченность растений водой. Подсчитано, что для получения высоких урожаев с коэффициентом полезного действия фотосинтеза 4-5% необходимо в первую очередь сочетание двух условий: оптимального обеспечения водой и достаточно высокого обеспечения растений минеральным питанием, особенно азотом.

Растение в первые фазы развития использует главным образом запасы питательных веществ, имеющиеся в семени; прирост органического вещества в этот период обычно незначителен. В дальнейшем потребность растения в элементах питания быстро возрастает, и к периоду наиболее интенсивного увеличения его объема и массы использование зольных веществ и азота достигает максимума. Это совпадает с периодом цветения и завязывания плодов. С прекращением накопления органического вещества в растении наблюдается резкое снижение потребности его в элементах, минерального питания и даже происходит обратный переход части их из растения в почву.

Сочетание основного предпосевного внесения удобрений с дополнительным в виде подкормок дает возможность наиболее полно обеспечить растения в соответствующие фазы развития элементами минерального питания. В начальный период развития растения в зависимости от степени плодородия почвы могут быть обеспечены припосевным (например, внесение в рядки) или гнездовым внесением удобрений.

Многочисленные исследования, передовой опыт и зарубежная практика свидетельствуют о том, что самым эффективным способом внесения минеральных удобрений является локальный с заделкой в почву. В ряде случаев применяют некорневые подкормки растений. Возможностью некорневого питания растений (через листья) интересовались давно. Первые работы в этом направлении относятся к началу прошлого века. В 1843 г. было установлено, что растение способно усваивать железо не только корнями, но и листьями, и стеблем. К. А. Тимирязев, изучая хлороз, установил, что если абсолютно бледный лист смочить солью железа, то через некоторое время на нем появятся зеленые пятна. Ж. Буссенго показал, что при нанесении на поверхность листа растворов солеобразных веществ, например сульфата кальция, они проникают в его паренхиму. И. В. Мичурин при появлении хлороза у плодовых деревьев обычно опрыскивал листья раствором железного купороса. Опыты Н. И. Сидорина показали, что усвоение железа только через листья может полностью удовлетворить потребность растения в этом элементе.

Некорневое внесение удобрений следует применять как способ дополнительного снабжения растений элементами минерального питания в период вегетации.

Теоретическое обоснование иногда применяемой предуборочной некорневой подкормки сахарной свеклы заключается в следующем. К моменту уборки в ее листьях содержится 3-4% сахара, что составляет около 16% запаса углеводов, накопленных растением. Сахар, содержащийся в листьях, не используется при производстве сахара. Необходимо перевести сахарозу, содержащуюся в листьях в предуборочный период, в корни. Для этого применяют некорневую подкормку калийно-фосфорными солями. Калий способствует общему повышению жизнедеятельности растения, и при внесении в паренхиму листьев ускоряет передвижение органических веществ, в том числе и углеводов. Фосфорная кислота участвует в фосфоролизе, при котором она соединяется с молекулой углевода. Синтез и внутриклеточный распад углеводов могут происходить, очевидно, только при участии фосфорной кислоты. Как показали опыты И. В. Якушкина и М. Н. Эдельштейна, после предуборочной подкормки калийными и фосфорными удобрениями углеводы из листьев транспортируются в корни сахарной свеклы: через 2-4 дня после подкормки количество сахаров в листьях значительно уменьшается, а в корнях — увеличивается.

Некорневая подкормка зерновых культур азотом даже при высоких урожаях является эффективным способом повышения их урожайности. При некорневой подкормке озимой пшеницы 10-20%-ным раствором мочевины во время колошения увеличивается содержание клейковины и белка в зерне.

Синтетическая мочевина (карбамид) служит источником азота для растений, а также резервным соединением для образования уреидных форм азотных соединений (аллантоиновой кислоты, аллантоина и цитруллина), которые являются биологически активными веществами и положительно влияют на синтез аминокислот и белков. Амидный азот мочевины, попадая в растение, по-видимому, участвует в процессах азотного обмена аналогично аспарагину и глутамину без предварительного превращения мочевины в аммиак, причем мочевина включается в метаболизм (через орнитиновый цикл) с меньшим расходом энергии, чем при некорневой подкормке растений аммиачной селитрой.

Некорневую подкормку можно эффективно применять для воздействия на обмен веществ как в полевых условиях, так и в защищенном грунте.

Экспериментально доказано, что некорневой подкормкой можно также повысить устойчивость растений к вредителям. Например, массовое размножение тли на растениях может быть индикатором на повышенное содержание аминокислот в их тканях вследствие неблагоприятных условий питания, и в частности из-за недостатка калия, фосфора, отдельных микроэлементов и избыточного питания растений азотом. Отсутствие аминокислот в клеточном соке, которым питается тля, приводит к ее бесплодию. Биохимический состав клеточного сока тканей растений можно изменить некорневой подкормкой макро- и микроэлементами и таким образом повысить устойчивость растений к тле.

Установлена возможность использования мембраноактивных соединений типа ионофоров (валиномицина, грамицидина, нистатина и др.) для регуляции интенсивности ионных потоков в растениях. С помощью веществ этого типа можно повысить эффективность применяемых удобрений и урожайность.

Одним из таких соединений является диметилсульфоксид (ДМСО) (CH3)2SO. Опрыскивание надземных частей растений пшеницы раствором ДМСО заметно повышало поглощение корнями 32 Р и передвижение его в стебли и листья. Обработка растений сахарной свеклы в полевых условиях 2,5-5%-ным раствором ДМСО способствовала усилению поглощения и транспорта фосфатного и нитратного анионов и активизации оттока ассимилятов из листьев в корнеплоды. В результате урожайность корнеплодов увеличилась на 3-6 т с 1 га, сбор сахара — на 0,5-1 т с 1 га.

Ведущая роль в повышении урожайности сельскохозяйственных культур принадлежит удобрениям. В Подмосковье урожаи зерна озимой пшеницы 3,5-4.0 т/та и их стабильность на 55­-60 % определяются уровнем минерального питания и в 36 % случаев изменения урожайности обусловливались непостоян­ством погодных условий (И. С. Шатилов с соавт., 1988). Во мно­гих хозяйствах низкая урожайность связана с нарушением техно­логии, доз, сроков и способов внесения удобрений. Рациональ­ное использование удобрений возможно лишь при комплексном подходе к химизации сельского хозяйства, разработке и совер­шенствованию системы удобрения.

Система удобрения - это программа удобрений в севообороте с учетом предшественников, плодородия почвы, климатических условий, биологических особенностей растений и сортов, состава удобрений. Система удобрения разрабатывается с учетом круго­ворота веществ и их баланса в земледелии. Баланс питательных веществ учитывает поступление их в почву с удобрениями, сум­марный расход на формирование урожая и непродуктивные потери из почвы. Балансовый метод позволяет рассчитать дозу полного минерального удобрения. Однако для получения высо­ких урожаев возникает необходимость дифференцировать пита­ние в процессе вегетации растений, так как их потребность в питательных веществах существенно меняется по фазам развития.

Как известно, только часть поглощаемых корнями МЭ, главным образом N, P и S непосредственно входят в состав органических веществ (ОВ). Ос­новная же роль катионов состоит в регуляции жизненных про­цессов, и их воздействие на накопление органического вещества является не прямым, а косвенным. Это ясно из того, что внесе­ние в почву удобрений приводит не только к увеличению в растениях общего количества золы и N, но главным образом к увеличению общего количества ОВ, большую часть которых составляют углеводы, не содержащие минеральных элементов.

Минеральные вещества, особенно К, Mg, P, способствуют использованию продуктов фотосинтеза на новооб­разования, что приводит к усилению роста растений и увеличе­нию ассимилирующей листовой поверхности, особенно в первые периоды развития растений. Установлено, что применение удоб­рений увеличивает фотосинтетический потенциал посевов ози­мой пшеницы в 1,4-1,8 раза, ячменя - в 1,4-2,2 и овса- в 1,1- 1,5 раза (И. С. Шатилов с соавт., 1988) и тем самым к повышению урожая.

Тесная связь между накоплением органических и минеральных веществ объясняет, почему в засушливые годы полевые культуры на черноземных почвах меньше отзываются на внесе­ние удобрений, чем при достаточном увлажнении. В условиях недостатка воды величина урожая на черноземных почвах в пер­вую очередь зависит от количества доступной растениям влаги.

Следует иметь в виду, что в условиях недостатка влаги некото­рые удобрения оказывают благоприятное влияние на растения, повышая их устойчивость к частичному обезвоживанию. Так, Р-ные удобрения ослабляют вредное действие засухи на растения за счет увеличения количества коллоидно связанной воды и повышения устойчивости коллоидов протоплазмы кле­ток. Кроме того, под влиянием Р снижаются потери воды на транспирацию.

Так как минеральные вещества являются главным образом регуляторами жизненных процессов для растений, очень важно оптимальное снабжение ими на определенных этапах развития.

При прорастании используются главным образом те запасы минеральных веществ, которые уже име­ются в семенах и, кроме того, прирост органическо­го вещества в это время еще относительно невелик, поэ­тому потребность в погло­щения их из почвы в это время еще незначительна. Ко времени наиболее энер­гичного увеличения общей массы растения она быстро возрастает, что отме­чается в периоды интенсив­ного образования листовой поверхности, цветения и завязывания плодов. Прекращение же общего накопления органи­ческого вещества во время созревания сопровождается резким снижением потребности растений в удобрениях и даже обратным переходом части минеральных веществ из растений.

Растения имеют периоды максимального потребления питательных веществ, когда в довольно сжатые сроки поступает боль­шое количество минеральных элементов. Для одних растений (лен, конопля, яровые зерновые) этот период характеризуется очень коротким сроком, для других (картофель, сахарная свекла) свойственно более длительное поступление элементов минераль­ного питания.

Помимо периодов максимального потребления питательных веществ растения имеют критические периоды потребления эле­ментов питания. Отсутствие в это время того или иного элемента может нанести серьезный ущерб урожаю. Так, в период прорас­тания растения очень чувствительны к недостатку Р, ко­торый способствует хорошему развитию корневой системы, в период интенсивного образования вегетативной массы - к недо­статку N.

Потребность в элементах минерального питания также тесно связана с продолжительностью вегетационного периода сельско­хозяйственных культур. Культуры и сорта с длинным вегетаци­онным периодом способны формировать значительно большее количество органического вещества, а следовательно, потреблять большее количество элементов питания, чем растения с корот­ким периодом вегетации.

Пропашные культуры с вегетационным периодом 120-160 днеи образуют сухого вещества и выносят с урожаем минеральных элементов в 1,5-3.0 раза больше, чем яровые зерновые культуры и лен с периодом вегетации 90-120 дней.

Продолжитетьностью вегетационного периода обусловлено не только общее потребление растениями элементов питания, но и характер, динамика их потребления. Так, ранние сорта картофе­ля, оканчивающие вегетацию за 90-100 дней, к завершению фазы цветения поглощают 88 % N, 66 - P, 84 % К от суммарного потребления; для среднеспелых сортов эти показатели составляют соответственно 59, 37 и 46 %. К концу созревания в клубнях содержится до 80 % N, 90 - P и 35 - K от количества, которое растения усвоили на протя­жении всего периода вегетации (Т. Н. Кулаковская, 1990).

Высшие растения не требуют для питания органических веществ. В многочисленных опытах доказаны равноценность или даже преимущества действия минеральных удобрений. Однако, признавая положительную роль гумуса в плодородии почвы, следует подчеркнуть, что увеличить или сохранить на оптимальном уровне имеющиеся запасы органического вещества можно только при совместном использовании органических н минеральных удобрений. Эффективность навоза и минеральных удобрений связана с биологическими особенностями культур. Как правило, действие минеральных удобрений бывает более высоким на зер­новых культурах, а навоза - на плодовых и многолетних травах.

При изменении погодных условий, отклонениях в агротехнике уровень урожаев обычно выше на почвах с достаточно высо­ким содержанием органического вещества, а колебания урожаев по годам меньше. В значительной степени это обусловлено и лучшим использованием растениями вносимых ЭМП, лучшей обеспеченностью растений СО2.

Влияние гумуса на использование растениями питательных веществ, как содержащихся в почве, так и вносимых с удоб­рениями, приобретает особо важную роль в связи с примением высоких доз удобрений. Внесение большого количества элементов питания, прежде всего высокоподвижных форм N и K, может вызвать ряд негативных последствий: избыточ­ное накопление нитратов в растениях и в почвенно-грунтовые водах, открытых водоемах. Только при совместном применении минеральных и органических удобрений,увеличении запасов гумуса в почве можно успешно разрешить возникающие про­тиворечия необходимости увеличения производства сельскохо­зяйственной продукции и сохранения окружающей среды от загрязнения.

При планирования высокой урожайности с-х культур приходится вносить удобрения в больших дозах. Но при единовременном внесении полного удобрения растения используют их только наполовину или на треть, а коэффициент использования P часто составляет 1/6. Причиной такого слабого использования удобрений является то, что они пере­ходят в почве в труднодоступные соединения или вымываются из почвы прежде, чем используются растениями. В сухом кли­мате верхние слои почвы пересыхают раньше, чем успевает развиться корневая система, которая уходит в более влажные нижние слои почвы. В результате часть внесенных в почву удобрений остается лежать в сухих слоях почвы неиспользо­ванной. Кроме того, при таком способе внесения удобрений максимальное их количество растения получают во время прорастания семян, когда слишком высокие дозы легкорастворимых удобре­ний (например, K- ных) мотут затруднить поглощение воды проростками. А к моменту усиленного роста растений и наи­большей их потребности в удобрениях количество доступных питательных веществ успевает уже значительно уменьшиться.

Наиболее полно обеспечение растений в соответствующие фазы развития ЭМП достигается сочетанием внесения основного удобрения с дополнительным в виде подкормок. В ряде случаев применяют некорневые подкормки растений. В принципе все надземные органы могут поглощать питатель­ные вещества. Это используют в плодоводстве, когда в отдель­ных случаях ветви и стволы перед распусканием листьев оп­рыскивают сравнительно высококонцентрированными растворами питательных веществ. У облиственных растений внекорневое питание осуществляется главным образом листья­ми. Поступление ионов происходит в растворенном состоянии в основном через кутикулу. Поэтому поглощение тем активнее, чем дольше сохраняется на поверхности листа водная пленка. Теоретически подкормки через листья и через корни по своему влиянию равноценны. Однако при проведении только некорневых подкормок в отдельных случаях нарушается генеративное развитие растений, наблюдается более быстрое устарение листьев.

Недостаток внесения удобрения через листья заключается также в том, что при опрыскивании можно использовать только разбавлен­ные растворы (0,5-2%-ные) и ввести небольшое количество ПВ, хотя по сравнению с удобрением через корни они быстрее и полнее усваиваются растениями.

С по­мощью некорневых подкормок можно добиться целенаправлен­ного результата, в частности, при необходимости срочного вне­сения N проводят подкормку мочевиной или при появлении признаков дефицита фиксированных почвой Fe и микро­элементов опрыскивают растворами их хелатов (они имеют явное преимущество для некорневой подкормки, так как их молекулы целиком попадают в лист). Некорневые подкормки особенно эффективны, когда почва обеднена элементами питания из-за усиленного их вымывания или, наоборот, пониженной растворимости вследствие недостат­ка влаги, неблагоприятного значения рН, ослабления погло­щения через корни при низкой температуре почвы.

Системы удобрения должны учитывать генотипическую специфику поглощения и усвоения ионов растениями. Например, имеются сорта гречихи, эффективно поглощающие Р из труднодоступных соединений. Это ценное свойство, связанное с особенностями корневых выделений, генетически закреплено и наследуется.

Читайте также: