Введение

Управление питательными веществами в сельском хозяйстве

Управление питательными веществами – это наука и практика, направленная на установление взаимосвязи между почвой, сельскохозяйственными культурами, погодными условиями и гидрологическими факторами с агротехническими, ирригационными и почвозащитными мероприятиями для достижения оптимальной эффективности использования питательных веществ, урожайности, качества продукции и экономической выгоды, одновременно снижая вынос питательных веществ (удобрений) за пределы поля, что может негативно сказаться на окружающей среде. Это предполагает подбор нормы, источника, времени и места внесения питательных веществ (известного как 4R-подход к управлению питательными веществами) в соответствии с конкретными почвенными, климатическими условиями и системой управления посевами на данном поле. Важными факторами, которые необходимо учитывать при управлении питательными веществами, являются: (а) внесение питательных веществ с учетом потенциально достижимой оптимальной урожайности и, в некоторых случаях, качества продукции; (б) управление внесением и сроками внесения питательных веществ на основе баланса всех источников и путей потерь на данном участке; и (в) управление почвой, водой и сельскохозяйственными культурами для минимизации выноса питательных веществ за пределы поля посредством выщелачивания из корневой зоны, поверхностного стока и улетучивания (или других газообменов). Существуют потенциальные взаимодействия, обусловленные различиями в путях миграции и динамике питательных веществ. Например, методы, снижающие поверхностный сток питательных веществ, могут увеличивать потери от выщелачивания других питательных веществ. Эти сложные процессы ставят перед специалистами по управлению питательными веществами сложную задачу достижения оптимального баланса для максимизации прибыли и одновременно сохранения биосферы.

План управления питательными веществами

План управления питательными веществами сельскохозяйственных культур – это инструмент, который фермеры могут использовать для повышения эффективности всех источников питательных веществ, потребляемых культурой, одновременно снижая производственные и экологические риски, и, в конечном итоге, увеличивая прибыль. Все чаще производители и агрономы используют цифровые инструменты, такие как SST или Agworld, для создания планов управления питательными веществами, чтобы использовать информацию, накопленную за несколько лет. Общепринято, что план управления питательными веществами сельскохозяйственных культур состоит из десяти основных компонентов. Каждый компонент критически важен для анализа каждого поля и повышения эффективности использования питательных веществ для выращиваемых культур. Эти компоненты включают:

Карта поля. Карта, включающая общие ориентиры (такие как ручьи, жилые дома, скважины и т.д.), площадь в акрах и типы почв, является основой для всего плана.

Анализ почвы. Какое количество каждого питательного вещества (N, P, K и других важных элементов, таких как pH и содержание органического вещества) содержится в почвенном профиле? Анализ почвы – ключевой компонент, необходимый для разработки рекомендаций по нормам внесения удобрений.

Севооборот. Фиксировала ли культура, выращенная на поле в прошлом году (а во многих случаях и два или более лет назад), азот для использования в последующие годы? Способствовало ли долгосрочное безотвальное земледелие увеличению содержания органического вещества? Показал ли анализ стеблей в конце сезона дефицит питательных веществ? Эти факторы также необходимо учитывать при планировании.

Прогнозируемая урожайность. Факторы, влияющие на урожайность, многочисленны и сложны. Почвы поля, дренаж, вредители, сорняки и болезни, севооборот и многие другие факторы отличают одно поле от другого. Поэтому использование исторических данных об урожайности важно при оценке урожайности на следующий год. Точные прогнозы урожайности могут повысить эффективность использования питательных веществ.

Источники и формы. Источники и формы доступных питательных веществ могут варьироваться от фермы к ферме и даже от поля к полю. Например, анализ плодородия навоза, способы хранения и другие факторы должны быть включены в план управления питательными веществами. Анализ питательных веществ в навозе – один из способов определения его плодородия. Азот, фиксированный бобовыми культурами в предыдущем году, и остаточный эффект навоза также влияют на рекомендации по нормам внесения. В этот план следует учитывать и другие источники питательных веществ.

Особо охраняемые участки. Что необычного в плане поля? Осушается ли оно? Расположено ли рядом с ручьем или озером? Особенно песчаное в одном месте? Имеет ли крутой уклон или низину? Применяется ли навоз в одном месте на протяжении поколений из-за близости к молочному фермерскому хозяйству? Чрезвычайно продуктивное или непродуктивное на части поля? Есть ли буферные зоны, защищающие ручьи, дренажные канавы, скважины и другие места сбора воды? Как далеко находятся соседи? Какое преобладающее направление ветра? Здесь следует отметить эти и другие особые условия, которые необходимо учитывать.

Рекомендуемые нормы. Здесь встречаются наука, технологии и опыт. Учитывая все, что вы отметили, какова оптимальная норма внесения N, P, K, извести и любых других питательных веществ? Хотя наука говорит нам, что потребности культуры в питательных веществах меняются в течение вегетационного периода, сочетание технологий и опыта фермера обеспечивает доступность питательных веществ на всех стадиях роста. Кукуруза, выращиваемая без обработки почвы, обычно требует стартовой подкормки для обеспечения здорового старта рассады.

Рекомендуемые сроки. Когда температура почвы опускается ниже 50 градусов? Будет ли использоваться стабилизатор азота? Какая технология обработки почвы используется? Кукуруза, выращиваемая по строковой технологии и без обработки почвы, часто требует иных сроков внесения, чем семена, посаженные в поле, которое было обработано один раз культиватором. Будет ли использоваться стартовая подкормка для обеспечения здорового старта рассады? Сколько акров можно обработать с использованием имеющейся рабочей силы (собственной или наемной) и техники? Зависит ли применение навоза на ферме от графика работы специализированной компании? Какие договоренности были достигнуты с соседями по использованию навоза на их полях? Планирует ли сосед какое-либо особое мероприятие? Все эти факторы и многое другое, вероятно, повлияют на рекомендуемые сроки.

Рекомендуемые методы. Поверхностное внесение или инъекция? Хотя инъекция, безусловно, предпочтительнее, могут быть ситуации, когда инъекция невозможна (например, пастбища, луга). Уклон, режим осадков, тип почвы, севооборот и многие другие факторы определяют, какой метод лучше всего оптимизирует эффективность использования питательных веществ (доступность и потери) на ферме. Оптимальное сочетание для одного поля может отличаться от другого поля, даже при выращивании одной и той же культуры.

Ежегодный пересмотр и обновление. Даже лучшие менеджеры вынуждены отклоняться от своих планов. Какая норма внесения была фактически применена? Где? Каким методом? Снизила ли необычно мягкая зима или влажная весна содержание нитратов в почве? Увеличил ли сухой период, болезнь или другой необычный фактор перенос питательных веществ? Эти и другие факторы следует отмечать по мере их возникновения. Когда такой план разрабатывается для животноводческих комплексов (ЖК), он может называться «планом управления навозом». В Соединенных Штатах некоторые регулирующие органы рекомендуют или требуют, чтобы фермы внедряли эти планы для предотвращения загрязнения воды. Служба охраны природных ресурсов США (NRCS) опубликовала руководства по разработке комплексного плана управления питательными веществами (CNMP) для ЖК. Международный институт питания растений опубликовал руководство по питанию растений 4R для повышения эффективности управления питанием растений. В руководстве изложены научные принципы, лежащие в основе каждого из четырех R или «правил» (правильный источник питательных веществ, правильная норма внесения, правильное время, правильное место) и обсуждается внедрение практик 4R на ферме, подходы к планированию управления питательными веществами и измерение показателей устойчивости.

Управление азотом

Из 16 основных питательных веществ для растений, азот обычно наиболее трудно поддается управлению в системах выращивания полевых культур. Это связано с тем, что количество азота, доступного для растений, может быстро изменяться в зависимости от изменений влажности почвы. Азот может вымываться из системы почва-растение или теряться посредством следующих процессов: выщелачивания; поверхностного стока; эрозии почвы; улетучивания аммиака; и денитрификации.

Методы управления азотом, повышающие эффективность использования азота

Управление азотом направлено на максимизацию эффективности использования азота, вносимого в почву. Повышение эффективности использования азота связано со снижением потерь азота из почвы. Хотя полностью избежать потерь невозможно, значительные улучшения могут быть достигнуты за счет применения одной или нескольких из следующих агротехнических приемов в севообороте.

Время применения N

Применяйте азот (N) примерно в то время, когда культуры могут его усвоить. Вносите азот подкормкой в период наиболее интенсивного поглощения азота. Раздельное внесение, состоящее из нескольких обработок, обеспечивает эффективное использование примененного азота и снижает риск его потерь в окружающую среду.

N Формы, включая удобрения с медленным или контролируемым высвобождением и ингибиторы

Медленно или контролируемо высвобождающееся удобрение задерживает доступность азота для растения до времени, более подходящего для его поглощения. Риск потерь азота через денитрификацию и вымывание снижается за счет ограничения концентрации нитратов в почве. Ингибиторы нитрификации поддерживают приложенный азот в аммонийной форме в течение более длительного времени, тем самым уменьшая потери от вымывания и денитрификации.

N захвата

Определенные сорта сельскохозяйственных культур способны более эффективно извлекать азот из почвы и повышать эффективность его использования. Селекция культур для эффективного поглощения азота ведется в настоящее время. Севооборот с глубококорневыми культурами способствует улавливанию нитратов на большей глубине почвенного профиля. Сидераты поглощают остаточный азот после уборки урожая и возвращают его в почву в виде растительной биомассы. Устранение ограничений для развития корневой системы в подпочвенном слое – уплотнение и кислотность подпочвы – препятствуют проникновению корней во многих регионах мира, что приводит к накоплению нитратов в подпочве, которые подвержены денитрификации и вымыванию при благоприятных условиях. Соблюдение агрономических практик, включая оптимальную густоту посевов и схему размещения растений, а также эффективное управление сорняками и вредителями, позволяет культурам формировать мощную корневую систему для оптимизации поглощения азота и повышения урожайности.

Охранная обработка почвы

Консервационная обработка почвы оптимизирует содержание влаги в почве, что повышает эффективность использования воды; в условиях водного дефицита это улучшает урожайность в расчете на единицу внесенного азота.

N метод применения удобрений и размещение

В рядовых культурах внесение азотных удобрений в полосу на гребнях снижает их подверженность вымыванию. Аппараты для рядового внесения удобрений, такие как инжекторы, формирующие уплотненный слой почвы и гребень на поверхности, могут уменьшить потери азота, отводя поток воды.

Хорошее управление орошением может повысить эффективность использования N

Плановые орошения, основанные на оценке влажности почвы и ежедневных потребностях сельскохозяйственных культур, повысят эффективность использования воды и азота. Системы дождевания обеспечивают более равномерное и меньшее по объему внесение воды, чем системы орошения по бороздам или бассейнам. Эффективность орошения по бороздам можно улучшить путем регулирования времени полива, размера струи, длины борозды, полива через ряд или использования импульсных клапанов. Чередование полива и внесения удобрений минимизирует контакт воды с питательными веществами. Внесение азотных удобрений через системы орошения (фертигация) обеспечивает поступление азота в период максимальной потребности растений. Обработка полиакриламидом (PAM) при орошении по бороздам снижает потери осадка и азота.

Дренажные системы

Некоторые системы субполива перерабатывают нитраты, вымываемые из почвенного профиля, и снижают потери нитратов с дренажными водами. Избыточный дренаж может привести к быстрому проточному водообмену и вымыванию азота, но ограниченный или недостаточный дренаж способствует развитию анаэробных условий и денитрификации.

Использование моделей моделирования

В большинстве случаев, краткосрочные изменения в доступности азота для растений затрудняют точные сезонные прогнозы потребности сельскохозяйственных культур в азоте. Однако модели (такие как NLEAP и Adapt N), использующие данные о почве, погоде, культуре и агротехнических приемах, могут обновляться ежедневно, что позволяет улучшить прогнозы судьбы внесенного азота. Это дает фермерам возможность принимать решения об адаптивном управлении, повышающие эффективность использования азота, минимизирующие его потери и негативное воздействие на окружающую среду, а также максимизирующие прибыльность.

Буферы сохранения

Буферы задерживают осадок, содержащий аммиак и органический азот. Нитраты в подземном потоке снижаются в результате денитрификации, которая усиливается за счет источников углеродной энергии, содержащихся в почве, связанной с буферной растительностью. Буферная растительность поглощает азот, другие питательные вещества и уменьшает их потери с водой.

Строительные водно-болотные угодья

Созданные водно-болотные угодья, стратегически расположенные в ландшафте для очистки дренажных стоков, снижают концентрацию взвешенных веществ и нитратов в поверхностных водах.