Эффективность калийного удобрения в агроэкосистемах на серых лесных почвах ополья Центральной России

Исследования, проведенные нами (Никитишен, 1984, 2002, 2003), а также результаты, полученные другими авторами (Гордецкая, 1976; Никитина, 1994; Яговенко, 1995; Окорков, 2001), свидетельствуют о том, что серые лесные почвы ополий гораздо лучше обеспечены калием по сравнению с азотом и фосфором. Прежде всего, это связано с более высоким валовым содержанием в них К, которое в поч­вах Мещовского ополья составляет 2.26% К₂О (Никитишен, 1984), в почвах Владимирского ополья и юга Подмосковья соответственно 2.18–2.44% и 2.28–2.64% (Алифанов, 1995).
Как известно (Прокошев, Дерюгин, 2000), валовое содержание калия в почвах зависит от минералогичес­кого состава почвы, и прежде всего от того, в какой доле в ней представлены калийсодержащие минералы группы полевых шпатов и слюд (10–12% К₂О) и продукты их выветривания. Наиболее обогащена калием илистая фракция почв, доля которой в верхних горизонтах составляет 14–17%, возрастая с глубиной до 24–32% (Алифанов, 1995; Окорков, 2001).
Высокое содержание в илистой фракции серых лесных почв гидрослюд мусковит-серицитового типа, смешано-слойных образований слюда-смектитового и хлорит-смектитового типов, калиевых полевых шпатов обусловливают повышенные запасы в них валовых и подвижных форм калия. Как показали наши исследования в стационарных полевых опытах на Калужской опытной станции (Никитишен, 1984), обеспеченность серых лесных почв калием характеризовалась следующим содержанием усвояемых и потенциально доступной форм этого элемента питания в пахотном слое (мг К₂О/100 г почвы): водорастворимый – 0.8–1.0, обменный – 8.0–10.0, необменный – 140–150. По мере увеличения доли илистой фракции с глубиной с 12–16% до 26–30% содержание водорастворимого калия понижалось до 0.2–0.3 мг К₂О/100 г почвы, а количество обменно- и необменно поглощенного калия увеличивалось вдвое – до 16.0–18.0 и 280–300 мг К₂О/100 г почвы. Таким образом, исходя из современных представлений в области калийного питания, согласно которым взаимодействие этих форм почвенного К определяет доступность его растениям (Никитишен, 1984; Минеев, 1999; Прокошев, Дерюгин, 2000), становится очевидным, насколько велики запасы этого биогенного элемента в серых лесных почвах ополий. Последнее, однако, не означает, что они не нуждаются в калийных удобрениях, о чем свидетельствуют результаты изучения их эффективности в полевых севооборотах, изложенные ниже.
Исследования проводили в многолетних ста­ционарных полевых опытах на Экспериментальной полевой станции института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Почвы опытных участков – серые лесные, среднесуглинис­тые, характеризующиеся малым содержанием гумуса (2.1–2.2%), слабокислой реакцией среды (рН_KCl 5.3–5.4) и невысоким количеством обменного калия по Масловой (8–12 мг К₂О/100 г). Исходная обеспеченность подвижными фосфатами по Кирсанову в опытах составляла: 3–4 мг/100 г (поле 1) и 7–8 мг/100 г (поле 2). Чередование культур в 9-польном севообороте было следующим (1978–1996 гг.): вико-овсяная смесь, озимая пшеница, кукуруза, ячмень с подсевом клевера, клевер 1-го года пользования, клевер 2-го года пользования, озимая пшеница, кукуруза, ячмень. Дозы применения азотного удобрения, вносимого под все культуры севооборота, за исключением клевера и завершающей культуры 2-й ротации – ячменя, составляли 60, 120 и 180 кг N/га, дозы фосфорного удобрения – 40, 80 кг Р₂О₅/га и калийного – 60 и 120 кг К₂О/га. За две ротации 9-польного севооборота в поч­ву поступило в расчете на гектар 720, 1440 и 2160 кг N, 520 и 1040 кг Р₂О₅, 780 и 1560 кг К₂О.
Метеорологические условия в период проведения полевых опытов были типичными для территории ополий. Годовое количество атмосферных осадков, 2/3 которых выпадало в теплое время года, колебалось от 456 до 752 мм. Сильные засухи весной и в начале лета наблюдались в 1979, 1981, 1984, 1992, и 1995 гг. Относительно благоприятный режим увлажнения для посевов складывался в условиях 1985, 1986, 1989, 1990, 1993, 1994 и 1996 гг.
Располагая данными многолетних стационарных полевых опытов, представляется возможным количественно оценить вклад серой лесной почвы и калийного удобрения в обеспечение потребления К различными сельскохозяйственными культурами, а также изучить влияние на этот процесс элементов первого минимума – N и P. Как известно, многие культуры полевого севооборота активно потребляют К в первой половине вегетации, накапливая в надземной биомассе максимальное его количество к фазе цветения, а в последующий период некоторые из них (зерновые злаки) могут терять до половины содержащегося в растениях К. Поэтому, учитывая размеры выноса К конечным урожаем зерновых культур во время полной спелости, нельзя составить истинного представления о действительной потребности посевов в К. В связи с этим мы сочли целесообразным оценить данные о потреблении К культурами, убираемыми на кормовые цели в зеленом состоянии (однолетними и многолетними травами, кукурузой) и выращиваемыми до полной спелости (зерновыми злаками), отдельно.
Исследования показали, что посевы вико-овсяной смеси в первой ротации севооборота (1978–1979 гг.) испытывали острый дефицит влаги, что сильно ограничивало потребление ими N и Р и отрицательно повлияло на подвижность К в почве и потребление его растениями. За счет мобилизации ресурсов почвенного плодородия формировался невысокий урожай сухой надземной биомассы вико-овсяной смеси – 23 ц/га. В условиях дефицита влаги потребление растениями К из почвенных запасов слабо зависело от обеспеченности азотом и фосфором и составляло 49– ­66 кг К₂О/га. Потребление К из удобрения, напротив, заметно усиливалось при внесении К в сочетании с Р, достигая максимальных значений на фоне двойной дозы фосфорного удобрения. Однако внесение азотного удобрения и в этом случае не подействовало на потребление К вико-овсяной смесью. В итоге однолетними травами потреблялось из почвы не более 62–66 кг К₂О/га, из удобрения – максимум 21–24 кг К₂О/га, обеспечивая рост урожайности сухой надземной биомассы на 4-5 ц/га (табл. 1).



При выращивании вико-овсяной смеси во второй ротации севооборота в благоприятных условиях вод­ного режима положительное действие удобрений на продуктивность посевов проявилось гораздо сильнее, вызывая удвоение урожая сухой надземной биомассы с 32 до 61–63 ц/га. При этом проявилось сильное положительное влияние азотного и фосфорного удобрений на потреб­ление растениями К как из почвенных запасов, так и, особенно, из удобрения. Так, в вариантах N₁₈₀Р₄₀ и N₁₈₀P₈₀ посевы потребляли 114 кг К₂О/га, а в вариантах N₁₈₀P₄₀K₆₀ и N₁₈₀P₈₀K₁₂₀ оно составило 192–218 кг К₂О/га. Таким образом, для потребления вико-овсяной смесью К, внесенного с удобрением, обес­печенность азотом и фосфором оказалась не менее значимым фактором, чем само калийное удобрение. При достижении оптимального и сбалансированного уровня азотного и фосфорного питания растениями усваивалось из удобрения почти такое же количество К, как из почвы (соответственно 104 и 114 кг К₂О/га).
Кукуруза относится к числу культур, потребление N и Р у которой существенно ограничивается при недостатке тепла. Такие условия теплообеспеченности складывались при выращивании кукурузы в 1980, 1990 и 1994 гг. Это отрицательно повлияло и на урожайность, и на уровень калийного питания посевов (табл. 2, 3). Во второй ротации растениями из почвенных запасов усваивалось максимум 51–52 кг К₂О/га, а в первой – не более 70–75 кг К₂О/га, из удоб­рения 49–50 и 22–24 кг К₂О/га соответственно. При в­ыращивании кукурузы в условиях недостатка тепла в первой ротации севооборота наблюдалось слабое воздейст­вие высокой обеспеченности азотом на усвоение растениями К как из почвы, так и из удобрения. Усиление уровня фосфорного питания в этом отношении оказалось более эффективным, проявляясь в увеличении потреб­ления посевами К из обоих источников питания. В данных условиях калийные удобрения слабо повышали продуктивность кукурузы.




При выращивании кукурузы в сравнительно благоприятных условиях обеспеченности теплом и влагой, посевами усваивалось гораздо больше К как из почвы, так и из удобрения. За счет мобилизации поч­венных запасов потребление К растениями дос­тигало соответственно 95–102 и 86–93 кг К₂О/га, под влиянием удобрения оно возрастало на 59–73 и 55–62 кг К₂О/га. Повышение обес­печенности кукурузы азотом оказывало более ощутимое положительное влияние на потребление К из удобрения в случае внесения N в сочетании с P. Несмотря на заметное усиление калийного питания растений под влиянием калийных удобрений, воздействие его на урожайность было неустойчивым (табл. 3).
Как показали исследования, потребление К посевами клевера из почвы и удобрения в неодинаковой степени зависело от условий увлажнения. При достаточной обеспеченности влагой в первой ротации севооборота за счет мобилизации поч­венных запасов К посевами усваивалось более чем вдвое больше К, чем во второй ротации в условиях дефицита влаги. В первом случае вынос К в сумме за два укоса клевера дос­тигал 144–147 кг К₂О/га, во втором случае – 60–62 кг К₂О/га. Азотное и фосфорное удобрения не влияли на потребление растениями почвенного К. Потреб­ление К посевами клевера из удобрения в гораздо мéньшей мере зависело от условий водного режима. При дос­таточной влагообеспеченности посевы потребляли из удобрения максимум 55–61 кг К₂О/га, при дефиците влаги – 39–45 кг К₂О/га. Потребление растениями К, внесенного с удобрением, усиливалось под дейст­вием Р, причем более ощутимо в случае выращивания клевера в условиях благоприятного увлажнения. Так, если на вариантах с внесением азотно-калийного удобрения в первой ротации севооборота оно составило 141–182 кг К₂О/га, то на вариантах с внесением полного минерального удобрения – 161–202 кг/га, во второй ротации севооборота соответственно – 70–84 и 74–106 кг/га. Таким образом, дефицит влаги отрицательно влиял на доступность растениям К из удоб­рения, но в гораздо меньшей степени, чем на доступность почвенного К.
В эффективности последействия удобрений в посевах клевера прослеживалась следующая закономерность (табл. 4). Азот, внесенный под предшествующие культуры севооборота, в большинстве случаев вызывал снижение урожая сухой надземной биомассы клевера, что сильнее проявилось в условиях дефицита влаги во второй ротации севооборота. Последействие фосфорного и калийного удобрений обеспечивало невысокий и примерно равный положительный эффект, выразившийся в росте урожая клевера в первой ротации севооборота соответственно на 9–10 и 8–10 ц/га, во второй ротации – на 6–7 и 5–6 ц/га. В обоих случаях наблюдалось положительное взаимодействие Р и К в интенсификации продукционного процесса в посевах многолетних бобовых трав. Урожай сухой надземной биомассы при совместном внесении Р и К повышался сильнее, чем от каждого из них в отдельности.



На основе полученных данных можно заключить, что потребление посевами вико-овсяной смеси К из поч­вы и удобрения в значительной степени определяется обеспеченностью ее влагой, а потребление К посевами кукурузы сильнее зависит от теплового режима. При выращивании этих культур в благоприятных гид­ротермических условиях проявляется высокое положительное действие азотного и фосфорного удобрений на потребление посевами калия из обоих источников питания. В повышении потребления К вико-овсяной смесью, испытывающей недостаток влаги, и кукурузой, произрастающей при дефиците тепла, первостепенное значение имеет усиление обес­печенности их фосфором. Потребление К посевами клевера из почвы в гораздо большей мере зависит от условий водного режима, чем потребление К из удоб­рения. Потреб­ление этой культурой К из удобрения возрастает под влиянием фосфорного удобрения, положительное действие которого усиливается при выращивании ее в условиях достаточной влагообеспеченности.
Проанализируем данные, характеризующие особенности калийного питания зерновых культур, не получившие пока должной оценки с позиций агрохимии. Как известно, при выращивании злаковых в регионах с достаточным увлажнением приходится сталкиваться с таким явлением, как вымывание К из надземных органов растений атмосферными осадками в репродуктивный период вегетации. Вымывание может достигать 50% от максимального его накопления в надземной биомассе (Никитишен, Личко, 2002). Это связано с тем, что большая часть К находится в лабильной связи с клеточным веществом и легко вымывается из растительных тканей под действием холодной воды, особенно в ночное время, когда прекращается процесс фотосинтеза. Данное явление весьма характерно для климатических условий Нечерноземной зоны европейской территории России, где преобладающее количество осадков очень часто выпадает именно во второй половине вегетации зерновых культур (Никитишен, 2003). По нашим данным, доля таких лет в южном Подмосковье достигает 50%.
Учитывая важную роль К в метаболизме растений, и прежде всего в регулировании оттока ассимилятов из вегетативных органов в репродуктивные, правомерно предположить, что значительные потери К посевами зерновых злаков после фазы колошения не могут не сказаться на их продуктивности и отзывчивости на калийное удобрение. Основанием для такого предположения послужили результаты 18-летнего изучения эффективности калийного удобрения, согласно которым, несмотря на сущест­венное усиление потребления К озимой пшеницей и ячменем в первый период вегетации (всходы – колошение) под влиянием внесения калийного удобрения, это во многих случаях не вызывало ожидаемого роста продуктивности посевов (Никитишен, 2002).
Исследования, проведенные в многолетних полевых опытах, более подробно изложеные нами ранее (Никитишен, Личко, 2002), показали наличие тесной прямой связи между количеством вымываемого К из надземных органов злаковых после фазы колошения и интенсивностью выпадения атмосферных осадков. За 18-летний период проведения исследований 9 лет отличались обильным выпадением осадков преимущественно ливневого характера в репродуктивные фазы роста и развития зерновых злаков, что вызывало потери из растительных тканей от 33 до 79 кг К₂О/га или 30–50% от максимального его накопления посевами в фазе колошения. Зависимость потерь К растениями вследствие вымывания от количества осадков, выпадающих в репродуктивный период вегетации, показана на рис. 1. Потери К в эти годы оказались соизмеримы с размерами потребления К растениями из удобрения с начала вегетации до колошения. В итоге, почти весь К, дополнительно усвоенный удобренными им посевами ко времени колошения, в последующий репродуктивный период роста подвергался вымыванию. Последнее отразилось на эффективности калийного удобрения, поскольку исключало возможность проявления положительной роли вымывшегося из растений К в регуляции оттока ассимилятов и прежде всего углеводов в формирующееся зерно (Минеев, 1999). Как показывают усредненные данные (табл. 5), посевы, имеющие наиболее высокие потери К в репродуктивный период вегетации (79 кг К₂О/га), не реагировали на калийное удобрение, а при вымывании из растений 52 кг К₂О/га под влиянием его внесения достигался рост урожая зерна не более чем на 1,3ц/га. В этих условиях в вариантах с внесением К не наблюдалось увеличения крупности зерна и масса 1000 зерен была такой же, как и на фоне азотно-фосфорного удобрения (38.8 и 39.0 г).



Иная закономерность в действии калийного удоб­рения прослеживалась в случае отсутствия или незначительных потерь К из растений в репродуктивный период роста зерновых злаков. Под влиянием внесения одинарной (К₆₀) и двойной (К₁₂₀) доз К по сравнению с фоном N₁₂₀P₈₀ масса 1000 зерен озимой пшеницы возрастала с 37.6–39.6 до 41.3–44.2 г, а урожай зерна увеличивался в среднем на 5.9–9.0 ц/га. Зависимость эффективности калийного удобрения от размеров потерь К зерновыми злаками в период колошение–полная спелость носит экспоненциальный характер (рис. 2).



Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что вымывание К из растений после фазы колошения следует рассматривать как негативное явление, создающее дефицит К в репродуктивный период рос­та и развития зерновых злаков. Данное обстоятельст­во, на наш взгляд, – первопричина часто наблюдаемого в полевых опытах неблагоприятного влияния избытка влаги на формирование полноценного зерна (Никитишен, 2002). Снижение устойчивости растений к полеганию и поражению патогенной микрофлорой, являющееся основной причиной образования щуплого зерна в этих условиях (Иванова, 1982), очевидно, является следствием калийной недостаточности. Правомерность такого суждения основана на данных об определяющей роли К в формировании прочных скелетных тканей и оздоровлении фитосанитарного состояния посевов зерновых культур (Минеев, 1999). Чтобы свести к минимуму отрицательное воздействие вымывания К на продуктивность растений, необходимо, очевидно, внести коррективы в традиционную систему допосевного внесения калийных удобрений под зерновые культуры, выращиваемые в регионах с преобладанием атмосферных осадков во второй половине вегетации. Можно предполагать, что для восполнения потерь вымывающегося из растений К оправдано будет применение после периода ливневых дождей внекорневой подкормки посевов злаковых калийными удобрениями.
Анализ баланса калия в агроэкосистемах за 21–22-летний период проведения полевых опытов показал, что если исключить из расходной статьи ту его часть, которая содержится в соломе зерновых злаков и в измельченном виде запахивается в почву, то для полной компенсации дефицита калия достаточно поступления в почву 1580 кг К₂О/га. Это составляет в среднем 71 кг К₂О в год в расчете на 1 га севооборотной площади. При внесении вдвое меньшего количества калия (35.5 кг К₂О/га в год) складывается отрицательный его баланс, составляющий 495–631 кг К₂О/га и находящийся в пределах того допустимого уровня, который считал оправданным Д.Н Прянишников.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что плодородие серых лесных почв способно обеспечить формирование среднегодовой продуктивности культур 9-польного севооборота с двумя полями клевера в пределах не более 29 ц/га в пересчете на з. е. Основная причина низкого уровня плодородия почв – низкая обеспеченность их подвижными фосфатами и усвояемым N, доступность которых для посевов часто ограничивается из-за дефицита влаги и тепла. В этих условиях для оптимизации потребления макроэлементов и интенсификации продукционного процесса растений определяющее значение имеют азотные и фосфорные удобрения, применение которых в сочетании с умеренными дозами калия (35 кг К₂О/га) обеспечивает повышение среднегодовой продуктивности культур 9-польного севооборота до 45–47 ц з.е./га (табл. 6). При этом среднегодовой прирост продуктивности культур севооборота благодаря внесению калийного удобрения не превышал 3 ц з.е./га. Такое количество калийного удобрения способно поддерживать стационарное состояние калийного режима почвы в течение длительного времени (Карпинец, 2000). Согласно полученным нами данным (Никитишен, 2003), для серых лесных почв ополья Центральной России оно характеризуется величинами содержания обменного калия в пахотном слое почвы в пределах 10–13 мг/100 г, необменного калия по Пчелкину – 38–41 мг/100 г, фиксированного калия – 180–184 мг/100 г.

Никитишен Владимир Иванович - профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института физико-химических и биологических поблем почвоведения РАН, лауреат премии им. Д.Н. Прянишникова, заслуженный деятель науки РФ.

Личко Валентина Ивановна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института физико-химическх и биологических проблем почвоведения РАН.

Литература

Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино, 1995. 320 с.

Гордецкая С.П. Влияние растений и удобрений на азотный и калийный режимы почвы // Почвоведение. 1976. № 12. С. 60–72.
Иванова Т.И. Влияние погоды и удобрений на физические свойства зерна колосовых культур в условиях нечерноземной зоны // Агрохимия. 1982. № 4. С. 26–35.
Карпинец Т.В. Моделирование режима калия в системе почва–растение: Автореф. дис. д-ра с.-х. наук. М., 2000. 37 с.
Минеев В.Г. Агрохимия и экологические функции калия. М.: Изд-во МГУ, 1999. 332 с.
Никитина Л.В. Оценка калийного режима разных типов почв и эффективность калийных удобрений в длительных опытах: Автореф. дис. …канд. с.-х. наук. М., 1994. 22 с.
Никитишен В.И. Агрохимические основы эффективного применения удобрений в интенсивном земледелии. М.: Наука, 1984. 214 с.
Никитишен В.И. Плодородие почвы и устойчивость функционирования агроэкосистемы. М.: Наука, 2002. 258 с.
Никитишен В.И. Эколого-агрохимические основы сбалансированного применения удобрений в адаптивном земледелии М.: Наука, 2003. 183 с.
Никитишен В.И., Курганова Е.В. Плодородие и удобрение серых лесных почв ополий Центраальной России. М.: Наука, 2007. 367 с.
Никитишен В.И., Личко В.И. Эффективность калийного удобрения в зависимости от количества осадков в репродуктивный период зерновых культур // Агрохимия. 2002. № 7. С. 40–46.
Окорков В.В.Удобрения, плодородие и урожай на серых лесных почвах Владимирского ополья. Суздаль, 2001. 337 с.
Прокошев В.В., Дерюгин И.П. Калий и калийные удобрения. М.: Ледум, 2000. 184 с.
Яговенко Л.Л. Оптимизация систем удобрения в севообороте и агрохимические пути повышения плодородия серых лесных почв: Автореф. дис. … д-ра с.-х. наук. Брянск, 1995. 63 с.