ВОДА ПРИЙДЕТ – АЗОТ УВЕДЕТ

Весна этого года была щедра на осадки и скупа на тепло. Поэтому вмес­то ожидаемой с нетерпением «пары дождиков в апреле, пары дождиков в маю» в апреле-мае на юге Украины осадков оказалось в два-три раза больше средней многолетней месячной нормы. Осадки были разные: снег, снег с дождем, дождь «грибной» и дождь проливной. В течение суток кое-где выпадало до 30-35 мм влаги. Вода не успевала впитываться и испаряться, поэтому многие посевы напоминали не поля в степи, а затопленные рисовые чеки. На некоторых затопленных полях посевы оказались под водой «с головой».

В многокомпонентной системе избыток одного компонента вызывает недостаток другого. Почва, как известно, состоит из трех фаз – твердой (минеральной), жидкой и газообразной. Воздух и вода в почве занимают пространство между частицами твердой фазы. Поэтому влага обильных осадков вытесняет из почвы воздух. Часть кислорода почвенного воздуха растворяется в воде, но это – очень небольшая часть кислорода, необходимого для дыхания корневой системы растений. К тому же, чем выше температура почвы (и воды), тем меньше в воде растворенного кислорода, и тем выше в нем потребность растений. Поэтому переувлажнение почвы приводит к угнетению роста и развития растений, а в некоторых случаях – к гибели от удушья.

Добро и зло – одна монета,
А ляжет так, как повезло,
Придя добром к кому-то где-то,
Другому причиняет зло.
(В. Поляков)

«Уход» воды с поверхности поля и подсыхание верхнего слоя почвы не гарантируют избавления от проблемы дефицита кислорода в почве. Высохшая поверхность затопленного поля часто покрывается плотной воздухонепроницаемой почвенной коркой, которая «не пускает» воздух в почву. Поэтому, кстати, подсохшую корку рекомендуется своевременно «разбивать» ротационными мотыгами или боронами.
Ущерб от переувлажнения/затопления не ограничивается только дефицитом кислорода для растений. Существует еще одна «статья расходов», которая неизбежно активируется при выпадении обильных осадков. Вода растворяет минеральные удобрения. И уносит их с собой. Нитратный азот покидает корне­обитаемый слой как по вертикали (промывается при инфильтрации почвы), так и по горизонтали (смыв с поверхности почвы). Кроме того, в анаэробных условиях переувлажненной почвы нитратный азот подвергается денитрификации. То есть превращается в молекулярный азот и возвращается «в воздух».
Как оценить вероятные потери? И что делать потом с этим знанием?

Нитраты! «На выход!»

День наступит – откроются люки,
И вонючие руки утянут за брюки.
И дурная вода унесёт нас туда,
Где нам выпишут вечные муки…
(В. Поляков)

Первой жертвой наводнения или переувлажнения становится наиболее мобильная форма азота – нитратная. В экстремальных условиях возможна потеря практически 100% нитратного азота, находящегося в корнеобитаемом слое почвы.
Основным путем потерь нитратного азота на легких (песчаных и супесчаных почвах) является выщелачивание (промывание). Растворенные в воде нитраты мигрируют с потоком воды, опускаясь все ниже и ниже по мере инфильтрации почвы водой. Если на пути влаги не оказывается препятствий типа «плужной подошвы», то нитраты покидают пределы корнеобитаемого слоя и двигаются дальше. Кстати, при выращивании риса «плужная подошва» создается искусственно – для того, чтобы «не дать смыться» азотным удобрениям.
Чем выше водопроницаемость почвы и чем хуже ее водоудерживающие свойства, тем больше потери нитратного азота от промывания. На плотных почвах тяжелого механического состава, хорошо удерживающих и плохо пропускающих влагу, потери нитратов от промывания возможны только при длительном периоде избыточного увлажнения. Потери нитратов в результате инфильтрации с влагой в нижние горизонты тяжелой суглинистой почвы примерно в 4-5 раз меньше, чем на легкой песчаной при сопоставимом количестве выпавших осадков.
Плотные тяжелые почвы хорошо удерживают влагу, поэтому вода, залившая «с верхом» глинистое поле, долго не покидает такую «гостеприимную» почву. Из-за этого почву начинает покидать азот. Не через «дно» пахотного слоя, а через его «верх». И не с водой, а с воздухом. В результате процесса денитрификации.

Нитрификация с приставкой «де»

В моей частичке de знак чванства,
Я слышу, видят: вот беда!
«Так вы из древнего дворянства?»
Я? Нет… куда мне, господа!
(Пьер-Жан де Беранже)

Соединения азота трансформируются и «переформатируются» обитающими в почве микроорганизмами. В анаэробных условиях при достаточно высокой температуре и щелочной реакции почвы создаются условия для денитрификации – преобразования микрофлорой почвы нитратов в газообразные оксиды и молекулярный азот. В природе денитрификация имеет широкие масштабы. В результате в атмосферу ежегодно поступает 270-330 млн т N2, т.е. этот процесс сравним с азотфиксацией. Большая часть этого азота – потери из почвы.
Первый этап денитрификации – переход нитратов в нитриты – способны осуществлять не только бактерии, но водоросли, грибы и дрожжи. На заключительном этапе денитрификации (до молекулярного азота) участвуют только прокариоты. Большинство из них – факультативные анаэробы, которые заменяют отсутствующий в анаэробных условиях кислород нитратами.
Процесс денитрификации вполне корректно называют анаэробным нитратным дыханием. Нитраты в анаэробных условиях выполняют функцию акцепторов электронов, поступающих с окисляемого субстрата. Соответственно, субстрат окисляется, а нитраты восстанавливаются в последовательности: NO- –>NO- –>NO –>
N2O –>N2. Энергетический выход при переносе электронов к NO- и N2O приблизительно одинаков и в сумме составляет около 70% энергетического выхода при дыхании с участием свободного кислорода. То есть нитратное дыхание на треть менее эффективно, чем «традиционное», с использованием кислорода. Поэтому микрофлора почвы использует нитраты только при дефиците азота. Соответственно, восстановление доступа кислорода в почву (аэрация) прекращает процесс денитрификации. Рыхление почвы (разрушение почвенной корки), например, не только улучшает снабжение корневой системы растений кислородом, но прекращает «вредительскую» деятельность нитрифицирующих бактерий.
О том, что бактерия участвует в денитрификации, красноречиво свидетельствует ее «фамилия» с аристократической приставкой «де»: Thiobacillus denitriflcans, Thiomicrospira denitri­ficans, Paracoccus denitrificans Paracoccus denitri­ficans. Но есть бактерии (Pseudomonas studzeri, Pseudomonas fluorescens), «ФИО» которых не указывает на их потенциальные денитрифицирующие свойства.
Более того, известный азотфиксатор Azo­spiril­lum lipoferum при наличии нитратов в анаэробных условиях проводит денитрификацию, а в аэробных – ассимилирует нитрат. Это вполне объяснимо. Ферменты азотного цикла (нитрогеназа азотфиксаторов, нитритоксидоредуктаза нитрификаторов, ассимиляторная и диссимиляторная нитратредуктазы) имеют общий «структурный элемент» — низкомолекулярный молибденсодержащий кофактор. Он может «переустанавливаться» микроорганизмом с одного фермента на другой, в зависимости от ситуации. Таким образом, процессы нитратредукции, азотфиксации и денитрификации взаимно связаны и могут осуществляться одними и теми же бактериями, но в разных условиях.

«Райдер» денитрифицирующих бактерий

Не жертвуй светом, добывая свет!
Ведь ты не знаешь, что творишь на деле.
Цель средства не оправдывает… Нет!
У жизни могут быть иные цели.
(Н. Коржавин)

На интенсивность денитрификации влияет:
1. Продолжительность «безвоздушного» периода в переувлажненных, переуплотненных или заиленных почвах. Содержание кислорода в основном зависит от влажности почвы, которая, в свою очередь, определяется механическим составом и плоностью.
2. Температурный режим. Скорость денитрификации увеличивается экспоненциально в интервале от 15°C до 30°C, максимальные потери нитратного азота отмечаются при температуре почвы от 23°C до 27°C.
3. Содержание нитратов и органических веществ. Бактерии нуждаются в источнике легкодоступных органических веществ. Поэтому денитрификация интенсивно происходит на богатых органикой почвах. Запаханные растительные остатки и органические удобрения стимулируют процесс. И, конечно же, должно быть необходимое количество нитратов.
4. рН почвы. Процесс денитрификации интенсивно происходит в щелочных почвах, в кислых почвах денитрификация очень медленная.
Для того, чтобы начался интенсивный процесс денитрификации на затопленных почвах, требуется от двух до трех дней. За день теряется в среднем от 3% до 4% азота. При высокой температуре почвы (более 23°С) ежедневные потери от денитрификации могут «умножать на ноль» до 5-6% нитратного азота. Потери от 25% до 50% нитратного азота – вполне обычная «дань», которую аграрии платят почвенной микрофлоре. В США, например, средние ежегодные потери нитратного азота при выращивании кукурузы составляют 40-75 кг д.в/га за год.
Можно сделать простой, и в какой-то мере правильный вывод: «Долой нитратные удобрения!». Но, как и любые громкие лозунги и скоропалительные выводы, он содержит только часть правды. И не содержит приемлемой альтернативы.
Нитратная форма азота – это «быстрый» азот, поэтому ее целесообразно использовать при «быстром» получении всходов и высоких темпах роста культуры. То есть для внесения под предпосевную культивацию/посев при относительно поздних сроках посева, при минимальной вероятности проливных дождей. Либо для подкормок вегетирующей кукурузы или подсолнечника с заделкой в почву междурядий.
Заранее вносить большое количество нитратных форм азота под пропашные культуры – неоправданный риск «потерять» (более точное определение – сами знаете какое) большую часть нитратов еще до того, как культура будет готова их усвоить.
До фазы 6 листка ни кукуруза, ни подсолнечник не потребляют сколь-нибудь значимых (около 5%) количеств азотных удобрений. При раннем посеве (в первой декаде апреля) всходы появляются не ранее, чем через 15-18 дней. Темпы развития в условиях холодной весны замедлены (как в этом году), поэтому интервал от появления всходов до 6-8 листка составляет около 3 недель. Итого – 1,5 месяца удобрения «легли и просят», пока до них доберутся корни культуры. А за это время шансы азота «промыться» и «испариться» становятся настолько велики, что практически гарантированы. Посевы в период интенсивного роста останутся «голодными»,
а карманы агрария по итогам сезона – пустыми.

Денитрификация аммонийного азота

Дорогу свою выбирая,
О лишних шагах не жалей,
Короче – конечно прямая,
Кривая, зато, – веселей…
(В. Поляков)

При высоком риске затопления лучше использовать аммонийную или амидную формы азота. В тех регионах, где существует риск наводнений и затопления посевов, предпочитают использовать КАС, карбамид, сульфат аммония. Например, в северо-восточной части «болотного» штата Луизиана традиционно используют гранулированную мочевину (46-0-0) или КАС (32-0-0) в качестве основного источника азота. А при выращивании риса основными источниками азота являются сульфат аммония и карбамид.
Это позволяет существенно сократить потери, но не избежать их полностью. Нитратная форма в КАСе, например, промывается и денитрифицируется так же легко, как и любой другой нитрат. Поэтому 25% азота из КАСа при затоплении поля исчезают в течение считанных дней.
Аммиачная и амидная формы азота прочно удерживаются в почве, но в результате трансформаций со временем превращаются в нитратный азот. Выпадение обильных осадков через день-два после внесения КАСа или карбамида приводит к минимальным потерям азота.
Но после нитрификации (перехода азота из аммиачной формы в нитратную) в течение 1-2 месяцев, затопление поля приведет к потере более 50% внесенного минерального азота. Чем больше интервал между внесением аммонийного азота и затоплением поля, тем больше аммония превратится в нитрат.
Превращение аммония в нитрат являются результатом деятельности обитающих в почве нитрифицирующих бактерий. Для нитрификации очень важна температура почвы (быстрее проходит в «теплых» почвах, медленнее – в холодных) и наличие воздуха (аэробные условия). Гранулированная мочевина преобразовывается в аммонийную форму в процессе гидролиза. Поэтому карбамид превращается в нитрат медленнее, чем КАС.
Средняя скорость нитрификации при температуре почвы 14-18°С составляет около 2,5%
в день, а при более высокой температуре почвы превышает 4,5-5 % в день.
Например, при внесении 200 кг д.в азота/га в форме КАС (32%) за три недели до «потопа», при температуре почвы около 15°С, в нитратную форму перейдет около 120 кг д.в азота (200 x 0,6). А при внесении того же количества азота в той же форме за неделю до затопления поля, в нитратную форму перейдет только 50 кг азота в д.в. (200 x 0,25).
Сотрудниками университета штата Айова Р. Дж. Килдорном и С. Е. Тейлором была разработана компьютерная программа, прогнозирующая поведение внесенного в почву безводного аммиака. Эта программа позволяет рассчитать процент нитрификации внесенного азота в аммиачной/аммонийной форме при различных условиях. Например, при внесении аммонийного азота в почву в период с 1 октяб­ря до 1 ноября, по данным предварительных расчетов, к 1 мая весь азот преобразуется в нитратную форму.
Использование ингибитора N-Serve сущес­твенно замедляет процесс нитрификации.
Например, при внесении аммиака с ингибитором нитрификации 1 октября, в почве к 1 мая сохранится около 35% азота в аммонийной форме, а при внесении удобрений 1 ноября – 50%.
Из этих предварительных расчетов можно сделать вывод: чем ближе к посеву вносятся азотные удобрения, тем больше шансов их «целевого использования» культурными растениями и меньше вероятность потерь. Это правило касается и КАСа, и карбамида, и сульфата магния.

Занимательная арифметика

Как здоровье, так и счастье,
Если есть – не замечаем,
Лишь когда придут напасти
Их нехватку ощущаем…
(В. Поляков)

На потери от промывания и нитрификации существенно влияет содержание в удобрении нитратного, аммонийного и амидного азота. При этом необходимо предусмотреть трансформацию аммонийных/амидных форм в нитратную на протяжении периода от внесения удобрения до затопления поля.
Процесс нитрификации зависит от внешних условий. Температура и влажность почвы важны для прогноза степени преобразования аммо­нийного или амидного азота в мобильную нит­ратную форму.
Количество выпавших осадков и продолжительность затопления позволяют определить количество промытого нитратного азота и потери от денитрификации.
Алгоритм расчетов можно продемонстрировать на примерах.
Пример №1. Под предпосевную культивацию внесли 350 л КАС, то есть 100 кг азота д.в /га. Через 10 дней после посева выпали обильные осадки, затопившие поле на 2 дня. Температура почвы в этот период была около 17°С. Сколько было потеряно?
Решение: При затоплении теряется азот в нитратной форме. Поэтому 25% азота КАС, то есть та часть, которая находится в нитратной форме, гарантированно теряется. Кроме того, теряется часть азота, который образовался в результате нитрификации аммонийного и амидного азота. Процесс нитрификации продолжался 10 дней, за день нитрификации подвергалось примерно 2,5% аммонийного азота.
Таким образом, потери азота составят:
(0,25 * 100 кг N д.в / га) + (10 дней * 0,025 * 75 кг N д.в / га) = 25 + 18,75 = 43,75 кг д.в N /га.
То есть при заданных условиях ожидаются потери более 40% от внесенного с удобрением азота.
Пример № 2. Под предпосевную культивацию внесли 175 кг д.в N / га в форме карбамида. Почва плохо дренированная. Через три недели после внесения удобрения поле было затоплено на протяжении семи дней. Сколько азота было потеряно?
Решение: Определяем количество азота в форме нитрата. Согласно таблице, 50% мочевины будут в форме NO3-N. Через три недели после внесения карбамида 50% азота перешло в нитратную форму. То есть 175 кг д.в N x 50% = 88 кг д.в N.
Чтобы бактерии начали процесс денитрификации, необходимо минимум два дня. Поэтому денитрификация происходила в течение пяти дней, каждый день терялось 4% нитратного азота. То есть за 5 дней потеряно 20% от общего количества азота в нитратной форме. Это составило 88 x 20% = 18 кг д.в N потеряно. При этом в почве осталось 157 кг азота в д.в. Кукуруза после такого продолжительного пребывания в затопленном состоянии, скорее всего, погибла бы.
Подобная методика оценки потерь азота не претендует на точность, но дает хотя бы приблизительное представление о ущербе.
Для получения точных данных о наличии азота необходимо провести анализ почвы.
В почве достаточно доступного для растений азота, если почва содержит более 25 ppm нитратного азота. В такой ситуации проведение подкормок не является жизненно необходимым.
Если содержание нитратного азота составляет от 11 до 25 ppm (частей на миллион), то целесообразно проведение подкормки азотными удобрениями в норме 30-100 кг д.в/азота /га.
Если уровень нитратного азота в почве находится в интервале 18- 11 ppm, то необходимо вносить как минимум 50-70 кг д.в азота/га. При более высоком содержании нитратов можно обойтись внесением 30-40 кг д.в азота/га.
Если содержание нитратов составляет менее 11 частей на миллион, целесообразно внести в виде подкормки от 100 до 150 кг д.в азота/ га.

Компенсация потерь: чем, когда и как

Всё закончится очень удачно.
Так пророчил восточный мудрец.
Если в данный момент что-то мрачно,
Значит это – ещё не конец
(В. Поляков)

Способы компенсации потерянного при «потопе» азота можно рассмотреть на примере кукурузы.
Кукуруза до стадии V6 потребляет примерно 5% азота от общей сезонной потребности. Но от стадии V6 до VT (появление метелки) у кукурузы «появляется аппетит», и она за месяц поглощает примерно 60% от сезонной нормы азота. То есть примерно 100-120 кг д.в азота/га. Период быстрого роста культуры продолжается около месяца, и если на протяжении этого периода кукуруза останется «недокормленной», то к уборке она «отомстит» существенным недобором урожая.
Обильные осадки активно сокращают запасы азота, «промывая» нитратный азот из удобрений, внесенных до посева. Потери могут составлять 30-50%, то есть кукуруза остается на урезанном, «половинном пайке» азота. С вполне ожидаемыми последствиями в виде резкого уменьшения урожайности.
Может ли подкормка компенсировать «потерянный» азот? По данным американских исследователей, дефицит азота в фазу V6 удавалось компенсировать подкормкой до фазы R1. Дефицит азота удается успешно «догнать» без уменьшения урожайности при внесении азотных удобрений до стадии роста V11. Применение азотных удобрений в фазу от V12 до V16 сопровождалось снижением урожайности на 3% -по сравнению с вариантом, где весь азот вносился при посеве и не был потерян. Лучшие результаты обеспечивало внесение разбрасывателем карбамида, обработанного ингибитором уреазы. При быстром подсыхании поверхности поля на легких, хорошо дренированых почвах целесообразно внесение аммиачной селитры в междурядья при высоте растений около 30 см.
Тяжелые почвы после выпадения осадков остаются влажными на протяжении длительного времени. Поэтому внесение минеральных удобрений с заделкой в междурядья в таких условиях нецелесообразно: вовремя – невозможно, а поздно – напрасные траты. Поэтому для оперативного возмещения потерянного азота приходится полагаться на поверхностное внесение гранулированных минеральных удобрений: сульфата аммония (21-0-0-24) и мочевины (46-0-0).
В пересчете на стоимость 1 кг д.в азота мочевина дешевле, чем сульфат аммония. Но газо­образные потери азота (в виде аммиака) из карбамида могут достигать 20-30%, а сульфат аммония более стабилен.
Мочевина, внесенная на сухую почву, начинает постепенно улетучиваться. Скорость испарения достигает максимума примерно через три дня после внесения и зависит от типа почвы и ее влажности. Как правило, на щелочных почвах газо­образные потери азота выше, чем в кислых. А при внесении мочевины на поверхность влажной почвы потери азота существенно выше, чем при разбрасывании по сухой почве.
Потери азота при поверхностном внесении мочевины можно сократить за счет обработки гранулированной мочевины ингибитором уреазы (NBPT или NPPT). Ингибитор уреазы временно замедляет превращение мочевины микроорганизмами в аммонийную форму (гидролиз мочевины) и поэтому сокращает потери от улетучивания аммиака (конверсия амидной формы азота в газообразный аммиак). Ингибиторы уреазы уменьшают потери аммиака в течение 10 дней при нанесении на сухую почву. При внесении на влажную почву время защитного действия сокращается вдвое (максимум до 5 дней), а при попадании карбамида в воду ингибиторы уреазы теряют свои свойства.
Ингибиторы нитрификации (действующие вещества нитрапирин или DCD) временно препятствуют процессу нитрификации. Исследования на северо-востоке Луизианы показали, что ингибиторы нитрификации могут приостановить этот процесс в течение 10-30 дней, в зависимости от факторов окружающей среды и почвы.
Если почва слишком влажная для внесения минеральных удобрений в междурядья, а кукуруза остро нуждается в азоте, то придется делать выбор между поверхностным внесением гранулированного сульфата аммония или карбамида. При внесении карбамида лучше подождать, пока поверхность почвы подсохнет. Карбамид, обработанный ингибитором уреазы, можно внести на влажную поверхность поч­вы без значительных потерь азота в течение нескольких дней.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО АЗОТНОМУ ПИТАНИЮ ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР ПРИ ВЫСОКОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ЗАТОПЛЕНИЯ

Правда конца – это тоже возможность начала.
Кто осознал пораженье, – того не разбили…
Самое страшное – это инерция стиля.
(Н. Коржавин)

— Вносить удобрения, содержащие преимущественно аммонийный или амидный азот. То есть использовать безвод­ный аммиак, аммиачную воду, карбамид, сульфат аммония или КАС.
— Вносить удобрения непосредственно перед посевом для исключения нитрификации аммонийного азота и его преобразования в мобильную нитратную форму.
— При высокой вероятности обильных осадков после посева заранее планировать дробное внесение азотных удоб­рений. При использовании нитратных удобрений (аммиачной или кальциевой селитры) их целесообразно вносить в междурядья вегетирующей кукурузы до формирования на растениях 6 листьев.
— При затоплении или переувлажнении поля необходимо оценить потери азота в зависимости от сложившихся условий (продолжительность периода переувлажнения, температура почвы и воздуха, степень дренирования почвы), а также количества и формы внесенного в минеральных удобрениях азота.
— При необходимости срочно компенсировать дефицит азота целесообразно провести поверхностную подкормку разбрасывателем. Можно использовать гранулированный сульфат аммония или карбамид. При внесении карбамида на влажную почву оправдано использование ингибиторов уреазы.
— На быстро высыхающих полях целесообразно компенсировать потерянный азот за счет внесения в междурядья КАС или аммиачной селитры.

Александр Гончаров специально для «Инфоиндустрии»