КРУГОВОРОТ И БАЛАНС ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ калия, азота

Привет, Вы узнаете о том , что такое круговорот питательных веществ, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое круговорот питательных веществ, баланс калия, баланс азота , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Агрохимия и биохимия.

В общем планетарном понимании «Биологический круговорот веществ представляет собой совокупность процессов поступления химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, биохимического синтеза новых сложных соединений и возвращения элементов в почву и атмосферу с ежегодным опадом части органического вещества» (Орлов, Безуглова, 2000). Интенсивность биологического круговорота рассматривается как количество химических элементов, содержащихся в приросте фитоценоза на единицу площади в единицу времени. Задача агрохимии состоит в том, чтобы оценить направленность круговорота биогенных элементов и степень интенсивности антропогенного воздействия на систему почва-растение по балансу питательных веществ в агроценозе. Это позволяет оптимизировать питание сельскохозяйственных культур путем применения научно-обоснованной системы удобрений отдельных культур в севообороте. Наличие в почве доступных для растений форм питательных элементов в должном соотношении является основным условием формирования высоких урожаев. Это обстоятельство и определяет эффективное плодородие почв. Вопросы круговорота и баланса питательных веществ в земледелии давно интересовали исследователей. Впервые в России в 1825 г. был издан научный труд «Земледельческая химия», в котором автор, профессор Московского университета М.Г. Павлов, писал, что задачей повышения плодородия почв является увеличение в почве питательных веществ или по крайней мере возвращение того, что взято из почвы растениями.

По-настоящему развитие исследования баланса питательных веществ в агрохимии началось с появление труда Ю. Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840) и его учения о полном возврате в почву всех минеральных веществ, взятых из нее урожаем растений. Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу много внимания уделял основоположник отечественной агрохимии Д.Н. Прянишников. Он писал, что развитие химической промышленности становится одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии, их обмена между человеком и природой. Развивая это положение, Д.Н. Прянишников отмечал, что если истощение почв в результате нарушения обмена веществ между человеком и землей нарушает «естественное условие постоянного плодородия почвы». то массовое применение удобрений, основанное на крупной химической промышленности, является одним из мощных факторов не только поддержания на постоянном уровне (как это представлял Ю. Либих), но и дальнейшего повышения эффективного плодородия почвы, как это можно видеть хотя бы на историческом примере поднятия урожаев в западноевропейских странах с высоким уровнем химизации. Создание необходимых условий для рационального круговорота питательных веществ в земледелии, их положительный баланс — важнейшая задача агрохимии. Хозяйственная деятельность человека, включая интенсификацию сельскохозяйственного производства и прежде всего химизацию, вызывает определенные изменения в процессах превращения веществ и энергии в природе.

Например, происходят существенные изменения в цикле азота в биосфере при переходе от естественного состояния почвы к ее состоянию при интенсивной обработке (рис. 3.3, и 3.4). В почвах естественных биоценозов потери азота за счет улетучивания и денитрификации уравновешиваются поступлением этого элемента с осадками и при биологической фиксации. Когда земельный участок осваивается под интенсивное сельскохозяйственное производство, азотный цикл претерпевает существенные изменения. При этом потери азота из системы больше его поступления, что неизбежно обедняет почвы этим элементом.

Рис. 3.3. Цикл азота в биосфере при естественном состоянии почвы

Рис. 3.4. Цикл азота в биосфере при интенсивной обработке почвы

При сельскохозяйственном освоении территории увеличивается и число причин потерь азота из системы. Наряду с возрастающей убылью азота из почвы в виде газообразных соединений значительно увеличивается вымывание азота нитратов. Азот безвозвратно выводится из системы и при сжигании растительных остатков. Значительное его количество отчуждается при потреблении сельскохозяйственной продукции на промышленные и другие нужды, а также поглощается сорняками. Естественное поступление азота в цикл осуществляется в результате биологической фиксации его, с атмосферными осадками и оросительной водой. Лишь внесением азотных удобрений и навоза можно ликвидировать дефицит в азотном балансе и создать условия для сохранения и даже повышения плодородия почв. Потери азота и других питательных веществ из почвы и удобрений не только снижают продуктивность земледелия, но и вызывают эвтрофикацию водоемов, загрязняют грунтовые воды и обуславливают ряд других нежелательных явлений в окружающей природной среде.

Поэтому важно правильно управлять круговоротом питательных веществ в земледелии и создавать их активный баланс применением минеральных удобрений, предотвращая их потери в окружающую среду. Это одно из важнейших условий научного земледелия. При условии возврата в почву питательных веществ, отчуждаемых с урожаем, растения захватывают из окружающей среды (атмосферы и верхних слоев земли) все большее количество биогенных элементов в свою сферу и тем самым способствуют возрастанию эффективного плодородия почвы. Нарушение баланса макро- и микроэлементов может существенно изменить химизм растений и тем самым нарушить нормальное питание животных и человека. Минеральные удобрения как средство интенсификации земледелия по химическому составу не инородны живой природе и при разумном применении являются мощным фактором ее развития. Например, в каком бы виде ни вносили азот в почву — в составе органических или минеральных удобрений, в какой бы форме он ни поступал в растения — нитратной, аммиачной, амидной или молекулярной, фиксированной бобовыми растениями, в конечном счете в самих растениях в синтезе аминокислот и белков может принимать участие только восстановленная форма азота (NH₄+). Все остальные формы восстанавливаются до аммония в результате химических и биологических превращений в почве или непосредственно в растениях. Органические и минеральные удобрения как источник питательных элементов равноценны. Однако земледельцу легче работать с органическими удобрениями, так как они менее концентрированы.

Tak, по азоту 1 ц мочевины равноценен 10 т навоза. Нарушения в технологии применения минеральных удобрений приводит к созданию высоких концентраций питательных элементов в почве, которые в избыточном количестве поступают в растения, ухудшая качество продукции (как, например, нитраты и нитриты) или вызывая аммиачное отравление растений. Минерализация органических удобрений происходит постепенно в процессе вегетации растений и не создает в почве повышенной концентрации минеральных солей. В то же время без минеральных удобрений нельзя создать положительного баланса питательных веществ в земледелии. Следовательно, удобрения необходимо применять в сельском хозяйстве так, чтобы они улучшали круговорот питательных элементов в земледелии. Это будет способствовать сохранению и улучшению состояния окружающей среды. Все это, несомненно, положительно скажется на количестве и химическом составе получаемой продукции.

Нарушение баланса питательных веществ в земледелии может ухудшить химический состав почвы, природных вод, а следовательно, и растений. Это в свою очередь может изменить качество, питательную ценность сельскохозяйственной продукции и кормов для животных и привести к функциональным заболеваниям человека и ЖИВОТНЫХ. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В естественных биоценозах достигается замкнутый цикл биогенных элементов, а в искусственных агроценозах происходит разрыв этого цикла в связи с отчуждением на получение урожая и значительным потерям элементов питания при эрозии, инфильтрации и улетучивании. Применение же минеральных удобрений направляет весь круговорот биогенных элементов по расширенной спирали. В связи с этим исходным моментом для расширения производства растениеводческой продукции является увеличение в нужных масштабах применения минеральных удобрений. При ускоряющемся развитии науки и техники в ближайшие столетия главным источником полноценной пищи для людей по-прежнему останутся сельскохозяйственные продукты, производство которых основано на использовании величайшего дара природы — плодородия почв. Расширенное воспроизводство плодородия почвы — вот исходное условие для обеспечения непрерывного роста урожайности. Более того, с ростом урожайности создаются более благоприятные условия для улучшения окружающей среды. А это возможно при активном балансе питательных веществ в земледелии. Баланс питательных веществ — это количественное выражение содержания питательных веществ в почве на конкретной площади или объекте исследования (поле, севооборот, длительный стационарный опыт, хозяйство, зона, республика и т.д.) с учетом всех статей ux поступления (внесение удобрений, природные источники и т.д.) в течение определенного промежутка времени. Поступление питательных веществ обеспечивают следующие источники:

1) минеральные удобрения;

2) органические удобрения;

3) растительные остатки;

4) посевной материал;

5) биологическая фиксация азота клубеньковыми и свободноживущими микрооганизмами;

6) осадки.

В расходной части учитывают:

1) вынос с урожаем основной и побочной продукции;

2) вынос с растительными остатками;

3) вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности;

4) потери в результате возможных эрозионных процессов;

5) газообразные потери и т.д.

Существуют методики определения каждого источника поступления и расхода питательных веществ. В исследовательских целях количественные величины статей баланса принимаются на основании данных экспериментов, а для практических целей чаще всего пользуются справочными данными. Хотя статьи баланса хозяйства, зоны, республики носят относительный характер и часто претерпевают существенные изменения в зависимости от природных и хозяйственных факторов, определение баланса питательных веществ имеет важное значение для оценки уровня химизации земледелия. Для проведения глубоких теоретических исследований с учетом всех статей прихода и расхода большой интерес представляет изучение баланса питательных веществ в лизиметрах. Это метод широко используется научно-исследовательскими учреждениями. Он позволяет более глубоко вскрыть закономерности изменения статей баланса и дать им научное объяснение. В этих опытах часто применяются удобрения с мечеными элементами. Например, результаты лизиметрических исследований, проведенных во ВНИИ удобрений и агропочвоведения на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны с применением стабильного изотопа азота !№, показали, что из внесенного удобрения 30 - 60% азота используют растения, 15-30% — аккумулируется в почве, 10-30% — теряется в результате улетучивания газообразных соединений и 1 - 5% — вымывается с лизиметрическими водами. В практических целях используют данные по биологическому, хозяйственному и внешнехозяйственному балансам.

Биологический баланс достаточно полно охватывает все статьи поступления и расхода питательных веществ, вовлекаемых в круговорот. Его можно использовать при оценке системы удобрения отдельных культур и специализированных севооборотов.

Хозяйственный баланс базируется на учете только выноса питательных веществ с основной и побочной продукцией и компенсации их за счет внесения минеральных и органических удобрений. Обычно расчет такого баланса дает объективную агроэкономическую оценку системе удобрения в хозяйстве, зоне, регионе, республике и т.д.

Внешнехозяйственный баланс учитывает отчуждение элементов питания с товарной продукцией за пределы хозяйства и поступление их с минеральными удобрениями. Расчет этого вида баланса имеет важное значение для правильного распределения удобрений и в значительной мере определяется специализацией хозяйства. Если хозяйство специализируется на производстве товарной продукции (зерно, овощи и т.д.), то баланс будет более дефицитным, чем в хозяйствах, специализирующихся на производстве животноводческой продукции на собственной кормовой базе, где значительная часть питательных веществ возвращается в почву. Баланс и круговорот отдельных питательных элементов (азота, фосфора и калия) в земледелии имеют свои особенности. Особый интерес представляет азот — основной носитель жизни. Особенности его баланса в системе почва - удобрение - растение заключаются в весьма высокой его подвижности. Азот — биогенный элемент, имеющий природные источники пополнения его запасов в почве.

Потребность растений в питании этим элементом, как правило, бывает наибольшей. Существенный источник пополнения активной части баланса — его биологическая фиксация симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами. Поэтому при определении баланса азота в земледелии важно учитывать оптимальное сочетание технического, поступающего с удобрениями, и биологического азота. При любой системе удобрений нельзя рассчитывать на получение высокого урожая при дефицитном балансе азота. Особый научный и практический интерес представляет баланс фосфора в земледелии и его круговорот в экосистемах. Хотя живой организм требует его в несколько раз меньше, чем азота, он является важным биогенным элементом. Фосфор не только источник пищи для растений, но и носитель энергии, он входит в состав различных нуклеиновых кислот. При дефиците фосфора резко снижается продуктивность растений.

В то же время фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почвах, как например азот. Потребление его запасов из почв агроэкосистем на создание урожая восполняется практически только за счет внесения фосфорных и органических удобрений. Поэтому нужно полагать, что в перспективе проблема фосфора как биогенного элемента в земледелии возникнет в первую очередь.

В атмосфере фосфор находится в виде пыли и в небольших количествах (0,5-1 кг/га в год). Поэтому круговорот его относительно более прост, чем круговорот азота, т.е. в круговорот фосфора в экосистемах вовлечены лишь почва, вода и растения. Однако на доступность его растениям оказывают влияние многие факторы среды. Поэтому проблему фосфора особенно необходимо учитывать при определении перспективных систем земледелия. Потери фосфора происходят в основном при эрозии почвы в составе мелкозема и жидкого стока. Выщелачивание фосфора на почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава обычно не превышает 1 кг/га, и лишь на легких и торфяных почвах фосфора вымывается 3 - 5 кг/га. Изучению баланса калия пока не уделяется должного внимания. Это объясняется тем, что, во-первых, высокое естественное содержание калия в почве ряда земледельческих зон часто не лимитировало урожай, во-вторых, наша химическая промышленность практически обеспечивала сельское хозяйство страны необходимым количеством калийных удобрений. Однако уже сейчас в ряде зон применение повышенных доз азота и фосфора приводит к значительному OTрицательному балансу калия, а следовательно, к снижению урожая.

При анализе состояния круговорота питательных веществ в земледелии, а соответственно и баланса их в связи с применением удобрений важно учитывать уровень получаемых урожаев сельскохозяйственных культур. Поэтому рекомендации по применению удобрений для получения определенного уровня урожаев выращиваемых культур должны также предусматривать не только поддержание существующего уровня плодородия почвы, но и расширенного его воспроизводства. Низкая культура земледелия и отрицательный баланс питательных веществ в севообороте — важнейшие причины, сдерживающие рост урожаев.

Применение системы удобрения в агроценозе с учетом состояния баланса биогенных элементов позволяет не только получить планируемые урожаи сельскохозяйственных культур, но и способствует воспроизводству плодородия почвы. Методов балансовых расчетов много, они имеют специфику в зависимости от того, используется баланс для теоретического обоснования научного положения или для практических задач по оценке систем удобрений. Особый интерес представляют исследования баланса питательных веществ в длительных стационарных опытах с удобрениями. В них точно учитываются многолетнее внесение по ротациям севооборота различных питательных элементов с удобрениями и вынос их с урожаями. Опыты проводятся в условиях, близких к производственным. Поэтому данными баланса, полученными в длительных стационарных опытах, вполне можно пользоваться как в научных, так и в практических целях. Баланс, установленный на основе таких опытов — важное звено исследований для правильной оценки всех статей прихода и расхода питательных веществ на уровне хозяйства, зоны, республики и т.д. Важнейшим источником расхода питательных веществ является вынос их с урожаем сельскохозяйственных культур (табл. 3.23).

3.23. Вынос питательных веществ в кг/т основной продукции с учетом побочной (2010)

Приведенные величины выноса питательных веществ уточняют применительно к конкретным культурам, сортовым особенностям и почвенно-климатическим условиям. Для расчета баланса элементов питания в агроценозе разработаны соответствующие формулы. Баланс фосфора (Бр) определяется по разности между поступлением его в почву с удобрениями, семенами и осадками и отчуждением с полей урожаем, а также потерями за счет вымывания и эрозии. Это можно выразить уравнением:

Бp = (Py + Pc + Рро + Ро ) — ( Рву + Рро + Рп ),

где Бр — баланс фосфора, кг/га P,Os. Приходные статьи баланса: Ру — поступление с удобрениями Ру = ( Рм + Рор), где Рм — поступление с минеральными удобрениями; Рор — поступление с органическими удобрениями; Pc — поступление с семенами ( с посевным материалом); Рро — поступление с растительными остатками; Ро — поступление с осадками.

Расходные статьи баланса:
Рву - вынос с урожаем основной и побочной продукции;
Рро — вынос растительными остатками;
Рп — потери из почвы Рп = ( Рпв + Рпэ), где
Рпв — потери за счет вымывания;
Рпэ — потери за счет эрозионных процессов.

баланс калия (Бк) определяется по аналогичной формуле :
Бk = (Ky + Кс + Кро + Ко ) - (Ky + Кро + Кп ),
bk — баланс фосфора, кг/га KO.
Приходные статьи баланса:
Ку — поступление с удобрениями Ку = ( Км + Кор), где
Км — поступление с минеральными удобрениями;
Кор — поступление с органическими удобрениями;
Кро — поступление с растительными остатками;
Кс — поступление с семенами ( с посевным материалом);
Ко — поступление с осадками.
Расходные статьи баланса:
Кву — вынос с урожаем основной и побочной продукции;
Кро — вынос растительными остатками;
Kn — потери из почвы Кп = ( Кпв + Km»), где
Кпв — потери за счет вымывания;
Кпэ — потери за счет эрозионных процессов.

Поступление фосфора и калия с удобрениями и семенами устанавливаются по их химическому составу и нормам высева. Величина поступления из атмосферы с осадками на территории страны для фосфора не превышает 0,5 кг/га, для калия колеблется в пределах 2-6 кг/га. Вынос фосфора и калия с урожаем сельскохозяйственных культур (Рв и Кв) устанавливается на основе содержания этих элементов ы урожае основной и побочной продукции и величин урожая. Потери фосфора и калия в результате эрозии почв (Рпэ и Кпэ) по усредненным данным составляют: для фосфора — 1,5-2, для калия — 3-5 кг/га. Потери этих элементов из почвы и удобрений за счет вымывания в значительной мере зависят от гранулометрического состава почвы, количества осадков, доз применяемых удобрений и возделываемых культур. Наибольшие потери питательных веществ отмечены под чистыми парами, несколько меньше - под пропашными культурами, далее в порядке снижения уровня потерь следуют зерновые, многолетние травы, сенокосы и пастбища.

Потери фосфора (Рпв) для суглинистых почв в среднем не превышают 0,1, а для песчаных и супесчаных почв — 1,2 кг/га. Потери
калия за счет вымывания удобрений (Кпв) ориентировочно составляют: для легких почв — 5, для тяжелых — 2% от внесенного количества.
По азоту учитываются следующие статьи прихода и расхода:

Б_N = (Ny + № + №6 + №ро + № )— ( № + Npo + Nn)
B_N — баланс азота, кг/га М.

Приходные статьи баланса:
Му — поступление с удобрениями Му = ( Мм + Мор), где
NM — поступление с минеральными удобрениями;
Мор — поступление с органическими удобрениями;
№ — поступление с семенами ( с посевным материалом);
Мб — поступление за счет биологической фиксации;
N6 = ( ЧМсим. + Мнсим.), где
М сим. — поступление за счет симбиотической фиксации;
М нсим. — поступление за счет фиксации свободноживущими микроорганизмами;
Npo — поступление с растительными остатками;
No — поступление с осадками;

Расходные статьи баланса:
NB — вынос с урожаем основной и побочной продукции, кг/га №;
Npo — вынос растительными остатками;
Мп — потери азота из почвы Мп = ( Мпг + Мпв + Nm»), где
Миг — газообразные потери;
Мпв — потери за счет вымывания;
Nm» — потери за счет эрозионных процессов.

Азот, внесенный с семенами, и вынос этого элемента из почвы © основной и побочной продукцией определяются аналитическим путем
или по справочным данным. Поступление азота в почву с семенным материалом зависит от вида культуры, норм высева, содержания азота
в семенах, структуры севооборота. Например, при посеве зерновых колосовых с семенами поступает 4-6 кг/га азота, зернобобовых —
8-15, при посадке картофеля — 9-12 и т.д. В зависимости от типа и насыщенности севооборота той или иной культурой за ротацию с
посевным материалом вносится 20 - 50 кг/га азота и более.
Обогащение почвы биологическим азотом за счет бобовых культур
Е.П. Трепачев рекомендует определять по формуле:
No6= [(Мпк 2,5) %N + (Мпу%№)] Кф — Ny(1 — Kd)
или Nob = №6 - NB,

где Nob — обогащение почвы биологическим азотом, кг/га; №6 — биологический азот растительных остатков (кг/га); 2,5 — коэффициент поправки на полноту учета органического вещества; Мпк — масса сухих пожнивно-корневых остатков (ц/га); Мпу — масса потерь урожая за все укосы (ц/га); Kd — коэффициент азотфиксации (отношение количества фиксированного азота к общему); Му — общий азот в урожае сена (кг/га) за все годы выращивания бобовых; NB — вынос азота урожаем бобовых растений (кг/га). Биологический азот растительных остатков (№6) определяется по формуле: — №6 = [(Мпк 2,5) %N + (Мпу%М№)] Kd. А вынос азота из почвы бобовыми растениями — NB = Ny(1 — Кф). Приведем пример расчета величины обогащения почвы азотом в опыте с клевером. Урожайность сена клевера 3a 3 года жизни 129,7 ц/га при средневзвешенном содержании азота 2,7%. Следовательно, суммарное потребление азота клевером составляет 129,7 х 2,7 = 350,2 кг/га. Пожнивно-корневые остатки (Мпк) после третьего года жизни клевера составляют 71,8 ц/га сухого вещества с содержанием общего азота 2,3%, а масса потерь урожая за все укосы (Мпу) составляет 4,1 ц/га сухого вещества с содержанием общего азота 2.8%, усредненный коэффициент азотфиксации (Кф) равен 0,74. Подставив все данные в формулу

Nob = [(71,8 x 2,5) х 2,3 + (4,1 x 2,8)] x 0,74 — 350,2 x (1 - 0,74),

получим обогащение почвы азотом, т.е. Nob = 222,9 кг/га. Коэффициент азотфиксации (Кф) по результатам исследований научных учреждений для клевера, люпина, эспарцета принят равным 0,7, для люцерны — 0,8, для гороха и вики — 0,6. Коэффициент азотфиксации пожнивных остатков зернобобовых культур 0,3-0,4; а пожнивно-корневых остатков бобовых трав — 0,5-0,7. Если пожнивные и корневые остатки не определялись, то условно можно принять содержание азота в них равным половине его содержания в надземной массе. Важным источником азота, поступающего в почву, является азотфиксация свободноживущими гетеротрофными и сапрофитными микроорганизмами. В различных почвенно-климатических условиях за счет несимбиотической азотфиксации связывается неодинаковое количество азота: в зоне северной тайги и тундры связывается несколько килограммов на 1 га, в дерново-подзолистых и серых лесных почвах — 15-20 кг/га, в черноземах — 30-40, a в тропиках и субтропиках — до 80 кг/га и более.

Весьма существенны потери азота в результате эрозии почв, внутрипочвенного стока и инфильтрации в глубокие слои почвы (до уровня грунтовых вод). Ежегодно потери азота от эрозии, которые можно принять при расчете баланса, приведены в табл. 3.24. В качестве минимальных нормативов потерь азота на почвах разного гранулометрического состава вследствие инфильтрации можно принять следующие величины (% от внесенного):

тяжелосуглинистая — 0 - 0,5;

среднесуглинистая — 0,5 - 1,5;

супесчаная — 2,0 - 4,0;

песчаная — 5,0 - 8,0.

Исследование, описанное в статье про круговорот питательных веществ, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое круговорот питательных веществ, баланс калия, баланс азота и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Агрохимия и биохимия

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.