Эффективность удобрения определяется свойствами как солей, входящих в его состав, так и почвой, в частности, реакциями, которые происходят между удобрением и различными почвенными компонентами. И именно препятствия на пути от гранулы к корню растения снижают коэффициент использования удобрения и, соответственно, возврат инвестиций. (Статья Ирины Логиновой для журнала “Агроиндустрия”, сентябрь 2019 г.)

Препятствие первое. Растворение

Зависит от количества влаги в почве и характеристик самих удобрений. Первое мы можем до некоторой степени контролировать путем выбора оптимального срока и способа внесения удобрения в почву. Так, заделка во влажный слой почвы повышает шансы удобрения раствориться до начала активного потребления растением. Это особенно актуально для фосфорных удобрений, ввиду очень низкой подвижности фосфора в почве и неспособности промываться на достаточную глубину в корнеобитаемый слой при поверхностном внесении.

В немного лучшие условия попадают жидкие удобрения, для которых отсутствует стадия растворения, и которые менее зависимы от влажности почвы на момент внесения. Правда, это не относится к безводному аммиаку, для которого внесение в недостаточно увлажненную почву может приводить к повышению непродуктивных потерь азота.

Во-вторых, характеристики самих удобрений определяют их растворимость в почвенной влаге. Традиционные азотные удобрения являются хорошо растворимыми в воде солями, исключение составляют только специальные азотные удобрения контролируемого и пролонгированного действия. То же относится и к калийным удобрениям: хлориды и сульфаты калия, которые чаще всего являются солями традиционных калийсодержащих удобрений, хорошо растворимы в воде.

Растворимость фосфорсодержащих удобрений зависит от их солевого состава: по растворимости в различных растворах фосфорные удобрения делятся на водорастворимые, содержащие преимущественно однозамещенные фосфаты (SSP, TSP, MAP, DAP, APP), цитраторастворимые, содержащие двухзамещенные фосфаты (DCP, термофосфаты) и труднорастворимые фосфаты, содержащие трехзамещенные фосфаты (фосфоритная мука).

В состав сложных NPK удобрений входят преимущественно соли первой группы; однако, на рынке есть также составы, содержащие большую долю двух- и трехзамещенных фосфатов, что напрямую будет влиять на их растворимость и эффективность. Также на растворимость NPK удобрений будет влиять их марка: как правило, высокоазотные марки лучше растворимы в воде.

Необходимо также заметить, что даже в группе водорастворимых фосфорных удобрений есть различия. Хотя и кальций- и аммонийфосфаты относятся к водорастворимым, они имеют разную растворимость и степень диффузии в почве: аммонийфосфаты (МАР, DAP) являются более водорастворимыми соединениями в сравнении с кальцийфосфатами (SSP, TSP).

Таким образом, компонентный (солевой) состав удобрений в первую очередь влияет на их растворимость в почве и динамику высвобождения элементов питания в почвенный раствор.

Кроме того, технология производства и характеристики самой гранулы будут оказывать влияние на растворение в почвенной влаге. Методы грануляции оказывают влияние на размер, форму, прочность гранулы и другие ее характеристики, которые косвенно также влияют на характер растворения в почве. На растворимость гранулы будут оказывать влияние также филлеры (наполнители), примеси и кондиционирующие добавки.

Размер гранул играет важную роль: стартовые микрогранулированные  удобрения, специализированные для внесения при посеве в борозду (технология In-Furrow), ввиду малого размера гранул, обеспечивают лучшее распространение в почве при внесении и более равномерное распределение, что увеличивает площадь контакта с почвой и корнями растений и способствует большей эффективности удобрения.

Растворение гранул водорастворимых удобрений происходит достаточно быстро, даже при условии невысокого содержания влаги в почве. Вода, необходимая для растворения, проникает в гранулу удобрения путем капиллярного или транспорта паров, в результате вокруг гранулы удобрения формируется почти насыщенный раствор солей. Это приводит к созданию осмотического градиента между концентрированным раствором удобрения и почвенной влагой. Поскольку вода движется в зону удобрения, раствор удобрения движется в окружающую почву. Это движение воды внутрь и раствора удобрения наружу продолжает поддерживать практически насыщенный раствор до тех пор, пока не растворится вся гранула.

Даже после того, как исчерпывается резерв солей в грануле, этот осмотический градиент будет существовать до момента разбавления или реакции между компонентами удобрения и почвенным раствором, восстанавливая последний до его природного состава.

Препятствие второе. Изменения рН

Когда концентрированный раствор солей удобрения покидает гранулу и переходит в окружающую почву, он влияет на характеристики почвы, и в то же время, сам раствор удобрения изменяется под влиянием компонентов почвы. Более того, когда виртуально насыщенный раствор удобрения покидает гранулу и движется в ближайшую зону почвы, в этой зоне на поведение удобрения большее влияние оказывают свойства самого насыщенного раствора, нежели свойства почвы.

Прямым следствием взаимодействия удобрения с почвой является изменение рН почвы под влиянием насыщенного раствора удобрения. Однако, существует ограничение в точности предсказания влияния удобрения на рН почвы, если основываться только на его химическом составе, поскольку очень много факторов взаимодействуют при внесении удобрения в почву: например, вид растения, исходное значение рН почвы, остаточная известь, микробиологическая активность в почве и др.

Соли удобрений классифицируются на химически кислые, нейтральные или щелочные. Например, KCl или Ca(NO3)2 — химически нейтральные соли, моноаммонийфосфат NH4H2PO4 – химически кислая, а диаммонийфосфат (NH4)2HPO4 – химически щелочная. Однако, в случае с удобрениями, большую роль в остаточной реакции удобрения играют растения и почва.

Во-первых, для поддержания баланса зарядов на поверхности корней, при поглощении катионов растения должны либо выделять в ризосферу соответствующее количество других катионов, либо поглощать больше анионов.

Баланс зарядов на поверхности корня зависит в основном от интенсивности и характера поглощения макроэлементов, поскольку они потребляются растением в намного больших количествах, нежели микроэлементы. Среди макроэлементов, азот играет первую роль в балансе зарядов, поскольку он может поглощаться и как анион (NO3-), и как катион (NH4+), и поглощается в намного большем количестве, нежели другие ионы. Когда растения поглощают больше азота в виде нитрата, в ответ корни выделяют ОН- и НСО3- в почву для поддержания баланса заряда, что создает эффект, известный как физиологическая щелочность (основность). И наоборот, если корни поглощают больше азота в виде аммония (NH4+), они выделяют Н+ для поддержки баланса зарядов, что создает физиологическую кислотность.

А так как большинство элементов питания поглощается растениями в виде катионов (за исключением некоторых элементов, например, азота, бора или молибдена), то большинство удобрений являются физиологически кислыми.

Во-вторых, удобрения, содержащие аммоний, могут образовывать Н+ в почве при превращении аммония в нитраты под влиянием почвенных микроорганизмов (нитрификация).

Таким образом, химически нейтральная соль, например, Ca(NO3)2 оказывается физиологически щелочной, тогда как химически щелочная соль, например, (NH4)2HPO4 будет физиологически кислой.

В общих чертах, влияние азотных удобрений на изменения рН почвы зависит от формы азота. Так, удобрения, содержащие азот в форме аммония, в результате прохождения процесса нитрификации, оказывают подкисляющее действие на почву (если нет достаточного количества оснований, способных нейтрализовать эту кислотность).

Азотные удобрения, содержащие азот в виде нитратов в сочетании с основаниями (Na, Ca), после поглощения растениями азота будут снижать кислотность почвы (физиологические щелочные удобрения). Но происходит это, только если нитратный азот поглощается растением. Если же растения малы, или находятся в стрессе и не растут, нитраты мало влияют на рН субстрата.

Что же касается аммонийно-нитратных удобрений, то аммонийный азот создает приблизительно в три раза более сильное подкисляющее действие, нежели нитратный азот – подщелачивающее. Например, если удобрение содержит около 25% аммонийного азота и 75% нитратного, то реакция на рН почвы будет близка к нейтральной.

При внесении безводного аммиака в почву, он реагирует с почвенной водой и превращается в аммоний, который имеет щелочную реакцию и временно повышает рН почвы. Однако, по мере нитрификации аммония, почвенный раствор подкисляется. Эти две реакции (подщелачивания и подкисления) не сбалансированы полностью, но стремятся к балансу, что в результате оказывает на почву слабое подкисляющее действие.

Карбамид при внесении в почву под влиянием фермента уреазы превращается в бикарбонат аммония, чем вызывает временное подщелачивание почвенного раствора (т.к. бикарбонат-анион реагирует с почвенным Н+ с образованием H2CO3, диссоциирующего на CO2 и H2O, и на аммоний-катион), а в последствии подкисляет в результате нитрификации аммонийного азота. В сумме, карбамид оказывает только слабое подкисляющее действие на почву.

Фосфорные удобрения способны влиять на почвенную кислотность, преимущественно за счет высвобождения или связывания ионов Н+ в зависимости от рН почвы. Изменения рН имеют, как правило, локальный характер и более заметны при локальном внесении удобрений.

Из таблицы видно, что насыщенный раствор, образуемый группой водорастворимых фосфорных удобрений, имеет рН в диапазоне от 1,0 до 10,1 и содержит 1,7-6,1 моль/л фосфора. Концентрация сопутствующих элементов колеблется от 1,3 до 12,2 моль/л.

Таблица 1. Состав и свойства насыщенных растворов фосфорных соединений, обычно присутствующих в удобрениях (Источник: Sample et al., 1980)

Несмотря на низкое значение рН насыщенного раствора суперфосфата, он не имеет постоянного эффекта на реакцию почвы, поскольку в нем кислото- и щелочьобразующие элементы питания нейтрализуют друг друга, а кислотность обусловлена в первую очередь свободной кислотой (остающейся в процессе производства). Большинство результатов, полученных в длительных полевых экспериментах, показали, что суперфосфат либо немного уменьшает, либо вовсе не имеет влияния на рН почвы. Аммонизированный суперфосфат имеет слабокислую реакцию (как результат присутствия аммония), которая зависит от степени, до которой суперфосфат аммонизируют.

Влияние фосфатов на рН почвы зависит в большой степени от природной кислотности самой почвы. Так, для МАР (аммофос) в почвах с рН>7,2 ион дигидрофосфата Н2РО4- диссоциирует с образованием свободного Н+, который и оказывает подкисляющее влияние на таких почвах:

Н2РО4- → НРО42- + Н+.

В кислых почвах фосфор присутствует в виде Н2РО4- и подобных превращений не происходит, поэтому на почвах с рН<7,2 эффекта подкисления не наблюдается, и теоретически на почвах с высоким рН преимущество будет за МАР.

В DAP (диаммофос) фосфор присутствует в виде гидрофосфата НРО42-, который способен подщелачивать почвы с рН<7,2, на более же щелочные почвы не оказывает никакого влияния. Подщелачивание поясняется диссоциацией гидрофосфата аммония в кислых почвах, которая проходит согласно реакции:

НРО42- + Н2О → Н2РО4- + ОН-.

В почвах с рН более 7,2 такого не происходит, потому что в таких почвах для фосфора характерно присутствие в виде иона НРО42-.

Однако, для DAP важно присутствие аммония, который при рН выше 7 может теряться в виде аммиака, токсичного для молодых проростков. А поскольку рН раствора вокруг гранулы создается щелочной, то риск ожогов при близком расположении около проростков диаммофоса достаточно высок. Поэтому, независимо от рН почвы, следует избегать близкого контакта гранул с семенами.

Для МАР такой риск очень низок, во-первых, ввиду более низкого содержания аммония, а, во-вторых, в результате низкого рН раствора вокруг гранулы.

В отличие от азота, поглощение растениями фосфора оказывает очень незначительное влияние на кислотность почвы, основной причиной чему низкий коэффициент усвоения фосфора из удобрений. И хотя начальное рН после внесения фосфорсодержащих удобрений может отличаться, уже через несколько дней или недель разница может исчезать. В результате, существенных различий в изменении рН ризосферной почвы при использовании различных видов фосфорных удобрений в длительных экспериментах не было отмечено.

Традиционные калийные удобрения, таки как каинит, хлорид и сульфат калия (кроме нитрата калия), не имеют остаточного влияния на реакцию почвы: кислото- и щелочьобразующие элементы питания нейтрализуют друг друга, в результате чего удобрение является физиологические нейтральным.

Что касается комплексных удобрений, то данные ограничены ввиду большой разнообразности составов. Чаще всего они являются кислотными ввиду того, что основным азотсодержащим ионом является аммоний. Для корректировки этой кислотности, в качестве филлера в сложные комплексные удобрения часто вводится молотый известняк или доломит. При правильной технологии, их добавление не приводит к снижению доступности фосфора.

Ну и резюмируя все выше изложенное, нужно сказать, что подкисляющее/подщелачивающее действие удобрений на почву очень сильно зависит от буфферности почвы, норм и способа внесения удобрений (наибольшие изменения при локальном внесении) и длительности использования определенных удобрений.

Препятствие третье. Взаимодействие с почвой

Когда концентрированный раствор удобрения покидает гранулу и переходит в окружающую почву, он и сам изменяется под влиянием компонентов почвы. При этом только часть элементов питания остается в почвенном растворе – непосредственном пуле для питания растений. Оставшаяся часть подлежит различным взаимодействиям, которые могут иметь различную оценку: как становиться ближним пулом для потребления, пролонгируя, таким образом действие удобрения, так и составлять дальний пул, обеспечивая процесс последействия удобрений.

Рисунок 2 демонстрирует резерв и доступность элементов в почве. Объем всего бака представляет способность почвы удерживать элементы питания, фактор емкости (capacity) – количество элементов, удерживаемых почвой, а уровень жидкости в баке – количество доступных форм элементов (фактор интенсивности) (рис. 2-А). При этом, для изменения количества доступных форм (интенсивности), необходимо соответствующее изменение и фактора емкости (рис. 2-В). И чем выше фактор емкости почвы (чем больше элементов почва может удерживать), тем большее количество удобрения должно быть внесено для увеличения доступного пула (рис. 2-С). При этом, почвы с высокой емкостью также более устойчивы к истощению резерва доступного пула («более буфферны»).

Таким образом, внесенные удобрения пополняют как резерв элементов питания в почве (запас элементов – фактор емкости), так и пул непосредственно доступных элементов в почвенном растворе (фактор интенсивности).

Взаимодействие азота удобрений с почвой зависит от формы азотного соединения. Так, аммоний N-NH4+ после внесения быстро растворяется в почвенной влаге и взаимодействует с анионами почвенного раствора (HCO3–, NO3–, SO42–), образуя соли; образует координационные соединения (аммиакаты) и комплексные ионы; вступает в обменные реакции с катионами почвенного поглощающего комплекса (глинистые минералы и органические соединения почвы); поглощается микроорганизмами (становится иммобилизированным); либо под влиянием нитрифицирующих бактерий окисляется до нитрата.

Для аммонийного азота характерна также возможность непродуктивных потерь в результате улетучивания аммиака из раствора со щелочным значением рН. Наиболее вероятен этот процесс при поверхностном внесении солей аммония или карбамида на карбонатных почвах, когда потери могут достигать 30% внесенного N.

Нитратный азот N-NO3- после растворения гранулы находится в почвенном растворе, поскольку очень слабо фиксируется почвой, сохраняет мобильность и при высоком уровне влаги может вымываться (особенно в период, когда поле не занято растительностью). Также он может быть потреблен микроорганизмами почвы (иммобилизован) или потерян в газообразном виде в результате процесса денитрификации (чаще в анаэробных условиях).

Амидный азот быстро растворяется в почве, фиксируется почвой слабо и при наличии избыточной влаги может перемещаться по профилю почвы. Под влиянием фермента уреазы гидролизует до карбоната аммония – соли, которая может либо при высоких значениях рН разлагаться с выделением свободного аммиака, либо растворяться в почвенной влаге с образованием катиона аммония со свойственными ему дальнейшими превращениями.

Фосфор склонен к сильному химическому связыванию в почве, в особенности это относится к кислым и карбонатным почвам. Вокруг гранулы удобрения образуется реакционная зона, где происходят основные реакции: преципитации (осаждения) и адсорбции. Реакции преципитации стимулируются очень высокой концентрацией фосфора, существующего в ближайшем расстоянии от гранулы.

Реакции адсорбции являются вероятно наиболее важными на периферии зоны реакции почвы и удобрения, где концентрация фосфора намного ниже. Хотя, как преципитация, так и адсорбция имеют значение в месте внесения удобрения, реакции осаждения обычно играют большую роль в удержании фосфора в этой зоне.

В результате, до трети внесенного фосфора будет удерживаться реакцией осаждения в зоне внесения гранулы. Остаточное количество фосфора удобрения зависит от природы и интенсивности дальнейших реакций.

Карбонатные почвы являются проблемными с точки зрения менеджмента фосфора, поскольку внесение гранулированных фосфорных удобрений в эти почвы приводит к быстрому образованию малорастворимых фосфатов кальция уже в грануле или в непосредственной близости. Используя современные методы исследования, Bertrand et al., 2006; Ganga et al., 2006; Hettiarachchi et al., 2008 экспериментально определили более высокую диффузию, растворимость и биодоступность (лабильность) Р и микроэлементов, применяемых в жидкой форме, по сравнению с гранулированными удобрениями.

Данное исследование показало значительное различие в концентрации фосфора на разном удалении от зоны внесения жидких и гранулированных фосфорных удобрений. При внесении гранулированного аммофоса (МАР) большинство фосфора концентрировалось в ближайшей к грануле зоне почвы. Внесение же жидкой формы способствовало тому, что больше фосфора диффундировало в зону, дальше от места внесения удобрения (рис. 4).

Калий удобрений после внесения в почву достаточно быстро растворяется в почвенной влаге. Он может взаимодействовать с анионами почвенного раствора, образуя соли, обменно поглощаться почвенным поглощающим комплексом, а также фиксироваться в необменной форме в результате блокировки в межпакетном пространстве глинистых минералов при их попеременном переувлажнении и высыхании. Существенное вымывание калия возможно лишь на песчаных почвах при обильных осадках.

Препятствие четвертое. Ограниченность движения

В результате различного характера взаимодействия ионов удобрений с почвой, передвижение их сильно разнится. Условно, элементы питания делятся на три класса в соответствии с их подвижностью в почве:

(1)    очень подвижные: N-NO3, S, B;

(2)     умеренно подвижные: N-NH4, K, Ca, Mg, Mo;

(3)    малоподвижные: P, Cu, Fe, Mn, Zn.

Низкий уровень движения фосфат-ионов поясняет, почему необходимо создать достаточное обеспечение растений доступным фосфором во всем профиле почвы, занятой корнями, в особенности в периоды активного роста. Это также дает объяснение высокой эффективности расположения фосфора вблизи корней со стартовыми удобрениями.

Согласно концепции «биодоступности элементов» (Barber, 1995), достижение элементов питания поверхности корня происходит путем трех основных процессов: корневой перехват, массовый перенос и диффузия.

Корневой перехват подразумевает рост корня в поисках доступных элементов питания, и большую роль тут играет размер и характер развития корневой системы. Однако, только ограниченный объем почвы может быть объят активными корнями – в среднем около 1% верхнего слоя почвы, поэтому такой путь составляет небольшую часть общего потребления элементов питания.

Массовый перенос, движимый транспирацией растений, передвигает воду и растворенные в ней ионы к корням. Количество элементов, поступающих таким образом в растения, зависит как он концентрации элементов в почвенном растворе, так и от транспирационного коэффициента растений. Также именно массовый перенос ответственен за вымывание элементов из почвы.

Диффузия – движение элементов (ионов или молекул) из зоны высокой в зону более низкой концентрации. По мере поглощения корнями элементов питания из окружающего почвенного раствора, создается градиент концентрации, способствующий транспорту. На диффузию влияют три основных фактора: коэффициент диффузии (легкость, с которой ионы или молекулы передвигаются), концентрация элементов в почвенном растворе и буфферная способность твердой фазы почвы по отношению к ионам. При этом, диффузия снижается для любого раствора, если почва холодная или сухая, а также если элементы реагируют с твердой фазой почвы. Фосфаты, цинк и медь, будучи сильно сорбированы почвой, диффундируют очень медленно.

Из рис. 6 видно, что для фосфора и калия основным путем движения к зоне корня является диффузия. Поэтому расположение этих элементов в почве должно быть как можно ближе к корням. В особенности для фосфора – очень малоподвижного в почве элемента – и при низкой температуре почвы, которая снижает диффузию.

Препятствие пятое. «Прожорливые» и «полезные» микробы

Микроорганизмы прямым и косвенным образом влияют на питание растений и поведение удобрений в почве. В свою очередь, удобрения также существенно влияют на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов.

Наибольшее влияние, вероятно, микроорганизмы имеют на превращение азотных удобрений в почве. Это и превращение мочевины под влиянием фермента уреазы, и процессы нитрификации и денитрификации. И потери азота, в принципе, более всего связаны именно с микробной активностью в почве. Потому-то на рынке присутствуют и в последнее время активно продвигаются в Украине так называемые «стабилизаторы азота» — ингибиторы уреазы и нитрификации.

Что касается фосфора, то для него больше характерно химическое связывание почвой, но микробы в данном случае способны высвобождать фиксированный почвой фосфор удобрений и переводить в доступные для растений формы. Правда, динамику и интенсивность этого высвобождения спрогнозировать сложно, кроме того, высвобожденный фосфор представляет интерес и для самих микробов. Однако, эти процессы обеспечивают последействие фосфорных удобрений.

Но есть и другая сторона медали – это процесс иммобилизации (биологического закрепления) элементов удобрений самими микроорганизмами. Мы всегда говорим о том, что микроорганизмы помогают растениям в поглощении элементов питания, забывая, что они также являются потребителями. И процесс высвобождения элементов питания – это не благородное занятие микробов, а процесс их собственной жизнедеятельности.

В результате, элементы питания закрепляются в телах микро-, мезо- и макроорганизмов почвы, после отмирания которых часть содержащихся в них элементов снова превращается в доступную форму и может быть поглощена растениями, часть же закрепляется в телах последующих поколений почвенных организмов или гумифицируется. Безусловно, процесс иммобилизации элементов имеет негативный оттенок только в ближней перспективе, в дальней же перспективе это способствует депонированию элементов удобрений в почве, снижение потерь и пролонгирование действия самих удобрений. Проблему следует видеть скорее в том, что очень сложно предугадать, какая часть внесенного удобрения будет иммобилизирована, и, что еще сложнее, когда и сколько элементов питания снова будет мобилизировано в почвенный раствор.

Более детальные исследования показывают, что для азота иммобилизация в среднем составляет 20-30% он внесенного количества, при этом аммонийный азот иммобилизируется в 1,5-2 раза более интенсивно, нежели нитратный.

На количество иммобилизированного азота влияет также соотношение углерода к азоту: для разложения растительных остатков, характеризующихся широким соотношением C:N, потребляется значительная часто азота (как почвенного, так и внесенного с удобрениями).

Препятствие шестое. Конкуренция в ризосфере

И даже после того, как ионы, высвобожденные удобрением, попали в зону ризосферы, их и тут подстерегают «опасности» в виде взаимодействия между ионами: синергизм (положительное взаимодействие между элементами, когда в присутствии обоих элементов получают урожай выше, нежели в присутствии каждого из них в отдельности) и антагонизм (негативное взаимодействие, когда при сочетании элементов получают урожай ниже, чем при внесении каждого отдельно).

Антагонизм ионов в ризосфере связан либо с образованием труднорастворимых соединений (например, снижение доступности Zn и Cu в карбонатных почвах или при внесении Р удобрений), либо с конкуренцией при поглощении растением (за транспорт через плазматическую мембрану корневого волоска ионов с подобными свойствами).

Резюмируя все изложенное выше, хочется предостеречь аграриев от частого искажения информации в рекламе удобрений, где вывод о коэффициенте использования удобрения делается только исходя из характеристик самого удобрения. Препятствия, озвученные выше, а также те, о которых автор, возможно, не упомянул, будут иметь место в любой почве и для любого удобрения, только с большей или меньшей интенсивностью. А норма, время и способ внесения могут оказаться не менее важными, нежели выбор источника элемента питания.

Ирина Логинова,

консультант по питанию растений НВК «Квадрат»

Статья опубликована в журнале «Агроиндустрия», сентябрь 2019 г.