Мобілізація елементів живлення: новий підхід до оптимізації сівозміни

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

Винесення поживних речовин культурними рослинами є загальновідомою причиною необхідності сівозміни. Однак, геохімічні та біологічні процеси в ґрунті значно складніші. Сучасна агрономія оперує не просто математикою “внесли-винесли”, а враховує динамічні процеси перерозподілу, вивільнення та мобілізації елементів живлення, що відбуваються при зміні культур. Це дозволяє оптимізувати живлення рослин, не збільшуючи суттєво кількість внесених мінеральних добрив.

Різні культури в сівозміні не лише виснажують ґрунт, але й активно трансформують елементи живлення, переводячи їх із недоступних форм у доступні для наступних культур. Це особливо стосується фосфору, калію, кальцію та деяких мікроелементів, які можуть значно накопичуватися в ґрунті, але у формах, недоступних для більшості сільськогосподарських культур.

Інтерактивна карта ґрунтового покриву України

Фізико-хімічна основа доступності елементів живлення

Більшість елементів живлення в ґрунті існують у різних формах. Основні категорії:

• Розчинні — безпосередньо доступні.
• Обмінні — потенційно доступні.
• Фіксовані — важкодоступні.

Ключові фактори доступності елементів:

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

Дослідження 2018 року показали:

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

Павло Маменко, к.б.н., головний спеціаліст з живлення і захисту рослин компанії «САНАГРО УКРАЇНА», зазначає, що pH, окисно-відновний потенціал і структура ґрунту функціонують як єдина система. Оптимальне засвоєння елементів живлення відбувається при pH 6,0–7,0, завдяки як хімічним процесам, так і активним мікроорганізмам. Тому вапнування чи гіпсування варто планувати як частину сівозміни, а не як разову дію, адже деякі культури та післяжнивні рештки можуть самостійно змінювати pH ґрунту.

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

Структура ґрунту є фундаментом для цих показників: комкувата, пориста структура забезпечує аерацію (нормальний ОВП) та рівномірний розподіл вологи, від якої залежить pH прикореневої зони. Корекція цих параметрів має бути комплексною — через підбір культур сівозміни, управління рештками та обробіток, а не лише разовим внесенням меліорантів.

Кореневі виділення як фактор мобілізації елементів живлення

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

Склад та інтенсивність виділення ексудатів залежать від виду рослини, стадії розвитку та умов зростання. Культури родин хрестоцвітих (ріпак, гірчиця) та бобових (люпин, конюшина, люцерна) виділяють більше органічних кислот, зокрема лимонної та яблучної, що сприяє розчиненню фосфатів кальцію та алюмінію.

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

Виділення органічних кислот корінням — це енерговитратний процес, який може потребувати до 5-8% продуктів фотосинтезу. Він активізується в умовах дефіциту елементів живлення як адаптивна реакція рослин.

Павло Маменко зазначає, що на інтенсивність та склад кореневих ексудатів можна впливати. Рослина віддає в ґрунт до чверті продуктів фотосинтезу через коріння, “годуючи” корисні мікроорганізми та мобілізуючи елементи. Ця віддача регулюється.

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

На практиці, радить він, впливати варто не на сам процес виділення напряму, а через баланс азотного живлення та якісну мікробіологічну інокуляцію.

Мікробіологічні процеси в різних ланках сівозміни

Мікроорганізми ґрунту є важливими посередниками у трансформації елементів живлення. Їхня активність залежить від культури сівозміни та ґрунтових характеристик, і може значно змінювати доступність елементів.

Бобові культури, завдяки симбіозу з бульбочковими бактеріями, не тільки фіксують азот атмосфери, але й створюють сприятливі умови для розвитку інших груп ґрунтових мікроорганізмів. Після вирощування конюшини лучної біомаса мікроорганізмів у ґрунті збільшується на 10-15%.

Мікоризні гриби, утворюючи симбіоз з корінням близько 80% видів наземних рослин, значно розширюють зону поглинання елементів живлення. Найактивніше мікоризи розвиваються у кукурудзи, соняшнику, багаторічних бобових трав.

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

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

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

Перерозподіл елементів живлення у ґрунтовому профілі

Різна глибина проникнення кореневої системи різних культур дозволяє оптимізувати сівозміну з точки зору використання елементів із різних шарів ґрунту.

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

Цей процес забезпечується гідравлічним ліфтом — переміщенням води та розчинених елементів живлення з глибоких горизонтів до поверхневих через кореневу систему, що найактивніше відбувається вночі.

“Біологічне розпушування” ґрунту глибоко вкоріненими культурами пояснюється тим, що коріння, проникаючи в щільні шари, не тільки механічно розсуває ґрунтові частинки, але й виділяє слиз (муцигель), який змащує шлях кореня та змінює фізичні властивості прилеглого ґрунту.

Симбіотична азотфіксація та її вплив на інші елементи живлення

Бобові культури завдяки симбіозу з бульбочками фіксують атмосферний азот. Проте їх вплив на живильний режим ґрунту ширший.

Процес азотфіксації опосередковано впливає на доступність фосфору та інших елементів:

• Для забезпечення високої активності нітрогенази бобові рослини виділяють значно більше органічних кислот у ризосферу, що сприяє розчиненню важкодоступних фосфатів.
• Бульбочкові бактерії продукують фосфатази, які гідролізують органічні фосфати ґрунту.

Для утворення та функціонування бульбочок потрібна достатня кількість молібдену. Бобові рослини мають механізми підвищеного поглинання молібдену. Після відмирання бобових культур накопичений молібден стає доступним для наступних культур.

За даними Beringer та ін. 2013, симбіотичний апарат бобових може споживати до 20-25% продуктів фотосинтезу. Це пояснює, чому бобові зазвичай залишають менше рослинних решток, але з нижчим співвідношенням C:N (20-30:1 проти 40-50:1 у зернових), що сприяє їх швидкій мінералізації.

Павло Маменко пояснює, що азотфіксація — це “домовленість” бобової рослини з бактеріями. Вона добре працює за певних умов:

• Ґрунт не має бути надто кислим (оптимально pH вище 6,0).
• Не слід вносити велику дозу мінерального азоту перед або одночасно з бобовою культурою, оскільки рослина обирає “легший” шлях і не утворює достатньо бульбочок.
• Інокуляція насіння цільовим штамом бульбочкових бактерій працює значно краще за універсальні препарати.

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

Сидерати та їх роль у мобілізації елементів живлення

Основна мета посіву сидеральних культур — покращення живильного режиму ґрунту. Сидерати також відіграють важливу роль у мобілізації важкодоступних елементів живлення.

Найбільш ефективними сидератами-мобілізаторами вважаються:

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

Сидерати заорюють у ґрунт у період максимальної фізіологічної активності, коли вміст фітогормонів та біологічно активних речовин у рослинних тканинах найвищий. Ці сполуки стимулюють активність ґрунтової біоти, яка бере участь у кругообігу елементів живлення.

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

• Бобовий компонент (люцерна, конюшина, вика, люпин) — дає біологічний азот та активно мобілізує фосфор, залізо й марганець.
• Капустяний компонент (гірчиця, редька олійна) — швидко підкислює прикореневу зону і “розчиняє” зв’язаний фосфор, не заважаючи мікоризі.
• Злаковий або глибоко вкорінений компонент (жито, овес, редька олійна) — дістає фосфор і калій з нижніх шарів ґрунту та формує канали (біопори) для коренів наступної культури.

Дослідження підтверджують: змішані посіви сидератів дають більше біомаси та мобілізованого фосфору, ніж кожна культура окремо.

Роль пожнивних залишків у перерозподілі елементів живлення

Розкладання рослинних решток вивільняє елементи живлення, а також утворює органічні кислоти та інші сполуки, що мобілізують важкодоступні форми елементів.

Дослідження 2014 року показали, що при розкладанні 1 т соломи у ґрунті утворюється близько 80 кг органічної речовини, 15-20 кг/га азоту, 5-7 кг/га фосфору та 25-30 кг/га калію. Також стимулюється мікробіологічна активність, що підвищує доступність елементів із ґрунтових запасів.

Розкладання рослинних залишків — це мікробіологічний процес, під час якого елементи живлення тимчасово іммобілізуються в біомасі мікроорганізмів, а потім поступово вивільняються. Цей процес може призводити до тимчасового “азотного голодування” при заорюванні рослинних залишків із широким співвідношенням C:N (>25:1), що необхідно враховувати в системі удобрення.

Лігнін та інші компоненти рослинних залишків при трансформації утворюють попередники гумінових речовин, які можуть утворювати комплекси з іонами металів, впливаючи на їхню рухливість. Це особливо важливо для мікроелементів, таких як цинк, мідь та марганець.

Коригування мінерального живлення з урахуванням біологічної активності

Враховуючи описані процеси, варто оптимізувати систему добрив. Основні принципи коригування:

• Після бобових попередників дози азотних добрив можуть бути знижені на 20-40 кг/га діючої речовини.
• Після сидератів-фосфоромобілізаторів (гірчиця, редька, люпин) доцільно знижувати дози фосфорних добрив на 15-25% без шкоди для врожайності.
• Після глибоко вкорінених культур (люцерна, еспарцет, соняшник) спостерігається підвищена доступність калію, кальцію та магнію з підорних горизонтів.

Дослідження показали, що на дерново-підзолистих ґрунтах після конюшини лучної агрономічна ефективність азотних добрив під яру пшеницю знижувалася на 20-25%, що дозволило коригувати дози добрив.

Цифрові технології для точного та ефективного внесення добрив

Цифрові послуги для точного землеробства допомагають оптимізувати витрати на добрива без втрати врожайності. Цифрові платформи дозволяють фіксувати результати агрохімічного аналізу ґрунту та на їх основі:

• Автоматично розраховувати норми внесення добрив.
• Формувати готові карти розпоряджень для розкидачів.

Це дозволяє контролювати якість роботи техніки, відстежувати нецільову витрату добрив, вести облік доходів і витрат.

Практичні рекомендації щодо оптимізації сівозмін

Рекомендується включати в сівозміну культури з різною глибиною проникнення кореневої системи для ефективного використання елементів живлення всього шару ґрунту. Оптимальне співвідношення рослин з мичкуватою та стрижневою кореневою системою — приблизно 3:1.

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

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

Після культур, які залишають багато рослинних залишків з широким співвідношенням C:N (кукурудза, зернові), слід застосовувати компенсуючі дози азотних добрив (10 кг N на 1 т соломи), щоб запобігти іммобілізації азоту.

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

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

Сівозміну, за словами Павла Маменка, варто сприймати як частину системи удобрення. Три речі тут головні:

• Післяжнивні рештки. Якщо їх залишати в полі, а не вивозити, норма азотного добрива під наступну культуру має бути трохи вищою в перший рік.
• Послідовність культур. Бобовий попередник дозволяє суттєво знизити дозу азоту під наступну культуру. Чергування кукурудзи з соєю стабільно дає кращий результат, ніж монокультура.
• Глибоко вкорінені культури. Вони “пробивають” ущільнені шари та піднімають малорухомі елементи (фосфор, калій, мідь, цинк) з нижніх горизонтів ближче до поверхні.

На практиці, наголошує експерт, норму добрив варто планувати, враховуючи те, що лишилось у ґрунті від решток і бобового попередника, і те, які культури в сівозміні вже попрацювали над структурою профілю.

FAQ

Як правильно підібрана сівозміна дозволяє знизити витрати на мінеральні добрива?

Грамотна сівозміна дозволяє зменшити дози добрив за рахунок біологічної мобілізації поживних елементів із ґрунту. Бобові фіксують азот з повітря, гречка і хрестоцвіті розчиняють важкодоступні фосфати кореневими виділеннями, а культури, що глибоко укорінюються, піднімають елементи живлення з глибини.

Чому більша частина елементів живлення в ґрунті недоступна рослинам?

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

Як цифрові технології дозволяють заощаджувати на добривах?

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

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

Повністю відмовитися від добрив не можна, але можна значно скоротити їх застосування. Біологічні механізми компенсують частину виносу, проте за високого планового врожаю запасу ґрунтової родючості недостатньо.

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

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

Осіння посівна 2027

Олена Басанець, SuperAgronom.com