Управление питательными веществами — это наука и практика, направленные на то, чтобы связать почву , урожай , погоду и гидрологические факторы с культурными, оросительными и почвенно - водными практиками для достижения оптимальной эффективности использования питательных веществ, урожайности , качества урожая и экономической отдачи , одновременно сокращая перемещение питательных веществ ( удобрений ) за пределы участка, что может повлиять на окружающую среду . [1] Это включает в себя соответствие конкретной почвы поля, климата и условий управления культурой для нормы, источника, времени и места (обычно известное как управление питательными веществами 4R ) внесения питательных веществ. [2]
Важные факторы, которые необходимо учитывать при управлении питательными веществами, включают: (a) внесение питательных веществ с учетом достижимой оптимальной урожайности и, в некоторых случаях, качества урожая; (b) управление, внесение и время внесения питательных веществ с использованием бюджета, основанного на всех источниках и поглотителях, активных на участке; и (c) управление почвой, водой и урожаем для минимизации выноса питательных веществ за пределы участка в результате вымывания питательных веществ из корневой зоны, поверхностного стока и испарения (или других видов газообмена).
Возможны потенциальные взаимодействия из-за различий в путях и динамике питательных веществ. Например, методы, которые уменьшают поверхностный перенос данного питательного вещества за пределы участка, могут увеличить потери от выщелачивания других питательных веществ. Эта сложная динамика ставит перед менеджерами по питательным веществам трудную задачу достижения наилучшего баланса для максимизации прибыли при одновременном содействии сохранению нашей биосферы .
План управления питательными веществами для сельскохозяйственных культур — это инструмент, который фермеры могут использовать для повышения эффективности всех источников питательных веществ, используемых сельскохозяйственной культурой, при одновременном снижении производственного и экологического риска , что в конечном итоге увеличивает прибыль . Все чаще производители, а также агрономы используют цифровые инструменты, такие как SST или Agworld, для создания своего плана управления питательными веществами, чтобы они могли извлечь выгоду из информации, собранной за несколько лет. [3] Общепризнано, что существует десять основных компонентов плана управления питательными веществами для сельскохозяйственных культур. Каждый компонент имеет решающее значение для анализа каждого поля и повышения эффективности питательных веществ для выращиваемых культур. Эти компоненты включают в себя: [4]
Карта поля
Карта, включающая общие контрольные точки (такие как ручьи, жилые дома, устья скважин и т. д.), количество акров и типы почв, является основой для остальной части плана.
Сколько каждого питательного вещества (NPK и других важных элементов, таких как pH и органическое вещество) содержится в профиле почвы? Анализ почвы является ключевым компонентом, необходимым для разработки рекомендации по норме внесения питательных веществ.
Фиксировала ли культура, которая росла на поле в прошлом году (а во многих случаях и два года назад), азот для использования в последующие годы? Увеличила ли долгосрочная нулевая обработка почвы органическое вещество? Показал ли тест стебля в конце сезона дефицит питательных веществ? Эти факторы также необходимо учесть в плане.
Предполагаемая урожайность
Факторы, влияющие на урожайность, многочисленны и сложны. Почвы поля, дренаж , насекомые, сорняки и давление болезней сельскохозяйственных культур , севооборот и многие другие факторы отличают одно поле от другого. Вот почему использование исторических данных об урожайности важно при разработке оценок урожайности на следующий год. Точные оценки урожайности могут повысить эффективность использования питательных веществ.
Источники и формы
Источники и формы доступных питательных веществ могут различаться от фермы к ферме и даже от поля к полю. Например, анализ плодородия навоза , методы хранения и другие факторы должны быть включены в план управления питательными веществами. Тесты/анализ питательных веществ в навозе являются одним из способов определения его плодородия. Азот, фиксированный из бобовых культур предыдущего года , и остаточные эффекты навоза также влияют на рекомендации по нормам. Многие другие источники питательных веществ также должны быть учтены в этом плане.
Чувствительные зоны
Что необычного в плане поля? Орошается ли оно? Рядом с ручьем или озером? Особенно песчаное в одном месте? Крутой склон или низменность? Навоз вносится на одном участке из поколения в поколение из-за близости к молочному коровнику? Чрезвычайно продуктивный — или непродуктивный — на части поля? Есть ли буферы, защищающие ручьи, дренажные канавы, устья скважин и другие точки сбора воды? Как далеко находятся соседи? Каково общее направление ветра? Здесь следует отметить эти и другие особые условия, которые необходимо учитывать.
Рекомендованные цены
Вот где встречаются наука, технология и искусство. Учитывая все, что вы отметили, какова оптимальная норма N, P, K, извести и других питательных веществ? В то время как наука говорит нам, что у урожая меняются потребности в питательных веществах в течение вегетационного периода, сочетание технологий и навыков фермера в управлении обеспечивает доступность питательных веществ на всех стадиях роста. Кукуруза с нулевой обработкой обычно требует стартового удобрения, чтобы дать сеянцам здоровый старт.
Рекомендуемое время
Когда температура почвы опускается ниже 50 градусов? Будет ли использоваться стабилизатор азота? Какова практика обработки почвы? Кукуруза с полосовой обработкой и нулевой обработкой часто требует иных временных подходов, чем посев семян на поле, которое уже было обработано полевым культиватором. Будет ли использоваться стартовое удобрение, чтобы дать рассаде здоровый старт? Сколько акров можно покрыть доступной рабочей силой (заказной или наемной) и оборудованием? Зависит ли внесение навоза на ферме от графика работы наемного аппликатора? Какие соглашения были заключены с соседями по использованию навоза на их полях? Проводит ли сосед особое мероприятие? Все эти и другие факторы, скорее всего, будут учитываться в рекомендуемых сроках.
Рекомендуемые методы
Поверхность или инъекция? Хотя инъекция явно предпочтительнее, могут быть ситуации, когда инъекция невозможна (например, пастбище, луг). Уклон, режим осадков, тип почвы, севооборот и многие другие факторы определяют, какой метод лучше всего подходит для оптимизации эффективности питательных веществ (доступность и потери) в фермерских хозяйствах. Сочетание, которое подходит для одного поля, может отличаться для другого поля даже с той же культурой.
Ежегодный обзор и обновление
Даже лучшие менеджеры вынуждены отклоняться от своих планов. Какая норма была применена на самом деле? Где? С использованием какого метода? Снизили ли необычно мягкая зима или влажная весна уровень нитратов в почве? Увеличили ли засушливое лето , болезнь или какой-либо другой необычный фактор перенос питательных веществ? Эти и другие факторы следует отмечать по мере их возникновения.
Когда такой план разрабатывается для операций по кормлению животных (AFO), его можно назвать «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 руководящие документы по подготовке комплексного плана управления питательными веществами (CNMP) для AFO. [5] [6]
Международный институт питания растений опубликовал руководство по питанию растений 4R для улучшения управления питанием растений. В руководстве излагаются научные принципы, лежащие в основе каждого из четырех R или «прав» (правильный источник питательных веществ, правильная норма внесения, правильное время, правильное место), а также обсуждается внедрение методов 4R на ферме, подходы к планированию управления питательными веществами и измерение показателей устойчивости. [7]
Управление азотом
Из 16 основных питательных веществ для растений азот обычно является наиболее сложным для управления в системах полевых культур. Это связано с тем, что количество доступного для растений азота может быстро меняться в ответ на изменения в состоянии почвенной воды. Азот может быть потерян из системы растение-почва одним или несколькими из следующих процессов: выщелачивание ; поверхностный сток ; эрозия почвы ; испарение аммиака ; и денитрификация . [8]
Методы управления азотом, повышающие эффективность азота
Управление азотом направлено на максимизацию эффективности, с которой культуры используют внесенный N. Улучшения в эффективности использования азота связаны с уменьшением потерь N из почвы. Хотя потерь невозможно избежать полностью, можно добиться значительных улучшений, применяя один или несколько из следующих методов управления в системе земледелия. [8]
Сокращение выбросов парниковых газов
Climate Smart Agriculture включает в себя использование принципов 4R Nutrient Stewardship для сокращения выбросов закиси азота (N2O) на полях при применении азотных удобрений. Азотные удобрения являются важным фактором выбросов закиси азота, но они также являются основным фактором урожайности в современных высокопродуктивных системах. Благодаря тщательному выбору источника азотных удобрений, нормы, времени и методов размещения, выбросы закиси азота на единицу произведенной продукции могут быть существенно сокращены, в некоторых случаях до половины. Методы, которые сокращают выбросы закиси азота, также имеют тенденцию повышать эффективность использования азота и экономическую отдачу от долларов, потраченных на удобрения.
Сокращение потерь азота в сточных водах и эродированной почве
Внесение и/или инъекция мочевины и аммонийсодержащих удобрений снижает улетучивание аммиака, поскольку хороший контакт с почвой стабилизирует pH и замедляет образование газообразного аммиака из ионов аммония .
Ингибиторы уреазы временно блокируют функцию фермента уреазы , сохраняя удобрения на основе мочевины в нелетучей форме мочевины, снижая потери от улетучивания при поверхностном внесении этих удобрений; эти потери могут быть значительными в системах противоэрозийной обработки почвы с высоким содержанием остатков.
Предотвращение накопления высоких концентраций нитратов в почве
Нитрат — это форма азота, которая наиболее подвержена потере из почвы через денитрификацию и выщелачивание . Количество N, теряемое в результате этих процессов, можно ограничить, ограничив концентрацию нитрата в почве, особенно в периоды высокого риска. Это можно сделать многими способами, хотя они не всегда экономически эффективны.
Нормы азота
Нормы внесения азота должны быть достаточно высокими, чтобы максимизировать прибыль в долгосрочной перспективе и свести к минимуму остаточный (неиспользованный) нитрат в почве после сбора урожая.
Использование местных исследований для определения рекомендуемых норм внесения азота должно привести к соответствующим нормам внесения азота.
Рекомендуемые нормы внесения азота часто зависят от оценки ожидаемой урожайности — они должны быть реалистичными и, желательно, основанными на точных данных об урожайности.
Нормы внесения азотных удобрений следует корректировать с учетом азота, который, скорее всего, минерализуется из органического вещества почвы и остатков сельскохозяйственных культур (особенно остатков бобовых).
Нормы внесения азотных удобрений должны учитывать азот, вносимый в навоз, поливную воду и содержащийся в атмосферных осадках.
Предпосевные анализы почвы дают информацию о ее обеспеченности азотом.
Тесты на азот поздней весной или перед подкормкой могут определить, требуется ли дополнительное количество азота.
Новые процедуры анализа и отбора проб почвы, такие как анализы на содержание аминокислот, картографирование сетки и датчики в реальном времени, позволяют уточнить требования к азоту.
Послеуборочные анализы почвы позволяют определить, было ли правильным внесение азота в предыдущем сезоне.
Тестирование урожая на N
Тесты растительных тканей позволяют выявить дефицит азота.
Отслеживание изменений содержания хлорофилла в растениях облегчает внесение азота с переменной нормой в течение сезона.
Тесты на содержание нитратов в стеблях кукурузы после сбора черного слоя помогают определить, были ли нормы внесения азота низкими, оптимальными или чрезмерными в предыдущей культуре, чтобы можно было внести изменения в управление при выращивании последующих культур.
Аппликаторы с переменной нормой внесения в сочетании с интенсивным отбором проб почвы или урожая позволяют более точно и оперативно вносить удобрения. [9]
Сроки подачи N заявок
Вносите азотные удобрения ближе к тому времени, когда растения могут их использовать.
Внесение азотных удобрений следует производить в период наибольшего усвоения азота.
Раздельное внесение, включающее более одного внесения, позволяет эффективно использовать внесенный азот и снизить риск его потерь в окружающую среду.
Формы азота, включая удобрения с медленным или контролируемым высвобождением и ингибиторы
Удобрения с медленным или контролируемым высвобождением задерживают поступление азота в растения до времени, более подходящего для его усвоения растением. Риск потери азота в результате денитрификации и вымывания снижается за счет ограничения концентрации нитратов в почве.
Ингибиторы нитрификации сохраняют внесенный азот в форме аммония в течение более длительного периода времени, тем самым снижая потери при выщелачивании и денитрификации.
N захват
Определенные сорта сельскохозяйственных культур способны более эффективно извлекать N из почвы и повышать эффективность использования N. Ведется селекция сельскохозяйственных культур для эффективного поглощения N.
Севооборот с культурами с глубокой корневой системой способствует более глубокому улавливанию нитратов в почвенном профиле.
Покровные культуры улавливают остаточный азот после сбора урожая и перерабатывают его в растительную биомассу.
Устранение ограничений на развитие корней в подпочве ; уплотнение и кислотность подпочвы препятствуют проникновению корней во многих подпочвах по всему миру, способствуя накоплению концентраций нитратов в подпочве, которые подвержены денитрификации и выщелачиванию при наличии подходящих условий.
Правильная агрономическая практика, включающая правильную посадку растений и интервалы между ними, а также эффективную борьбу с сорняками и вредителями, позволяет сельскохозяйственным культурам формировать большую корневую систему, оптимизирующую захват азота и урожайность.
Управление водными ресурсами
Консервативная обработка почвы
Противоэрозионная обработка почвы оптимизирует условия влажности почвы, что повышает эффективность использования воды; в условиях водного стресса это повышает урожайность культур на единицу внесенного азота.
Метод и размещение внесения азотных удобрений
При гребневом выращивании культур внесение азотных удобрений полосой в гребни делает азот менее подверженным вымыванию.
Рядовые аппликаторы удобрений, такие как инжекторы, которые формируют уплотненный слой почвы и поверхностный гребень, могут сократить потери азота за счет перенаправления потока воды.
Хорошее управление орошением может повысить эффективность использования азота
Плановое орошение на основе оценок влажности почвы и ежедневных потребностей сельскохозяйственных культур позволит повысить эффективность как водопользования, так и использования азота.
Системы дождевания обеспечивают более равномерный полив и меньшие объемы воды, чем системы бороздкового или бассейнового орошения.
Эффективность бороздкового полива можно повысить, отрегулировав заданное время, размер струи, длину борозды, полив через ряд или используя перепускные клапаны.
Поочередное орошение и внесение удобрений сводит к минимуму контакт воды с питательными веществами.
Внесение азотных удобрений через системы орошения ( фертигация ) способствует поступлению азота в период наибольшей потребности сельскохозяйственных культур.
Некоторые системы субирригации перерабатывают нитраты, вымываемые из почвенного профиля, и сокращают потери нитратов с дренажной водой.
Чрезмерный дренаж может привести к быстрому сквозному потоку воды и выщелачиванию азота , но ограниченный или недостаточный дренаж способствует анаэробным условиям и денитрификации .
Использование имитационных моделей
Краткосрочные изменения в состоянии N, доступном для растений, затрудняют точные сезонные прогнозы потребности культур в N в большинстве ситуаций. Однако модели (такие как NLEAP [10] и Adapt-N [11] ), которые используют данные о почве, погоде, культуре и управлении полем, могут обновляться с учетом ежедневных изменений и, таким образом, улучшать прогнозы о судьбе внесенного N. Они позволяют фермерам принимать адаптивные управленческие решения, которые могут повысить эффективность использования N и минимизировать потери N и воздействие на окружающую среду, одновременно максимизируя прибыльность. [12] [9] [13]
Дополнительные меры по минимизации воздействия на окружающую среду
Буферы сохранения
Буферы задерживают осадок, содержащий аммиак и органический азот.
Уровень нитратов в подземном потоке снижается за счет денитрификации, усиленной источниками углеродной энергии, содержащимися в почве, связанной с буферной растительностью.
Буферная растительность поглощает азот и другие питательные вещества, а также сокращает потери воды.
Искусственно созданные водно-болотные угодья
Созданные водно-болотные угодья, стратегически расположенные на ландшафте для обработки дренажных стоков, снижают концентрацию осадка и нитратов в поверхностных водах.
^ Дельгадо и Лемуньон. «Управление питательными веществами». В Энциклопедии почвоведения (т. 2). Ред. Раттан Лал. CRC Press, 2006. С. 1157 – 1160.
^ 4R Управление питательными веществами
^ «Цифровая ферма: как точные технологии помогают фермерам повышать прибыльность и удовлетворять спрос на полезные калории». 24 июня 2019 г.
^ Планирование управления питательными веществами: обзор
^ NRCS. Белтсвилл, Мэриленд. «Комплексные планы управления питательными веществами». Информационный бюллетень. 2003.
^ NRCS. "Национальное руководство по процедурам планирования: проект комплексного технического руководства по планированию управления питательными веществами". Подраздел E, части 600.50-600.54 и Подраздел F, часть 600.75. Декабрь 2000 г.
^ 4R Руководство по питанию растений
^ ab Davis, John (2007). «Эффективность азота и управление». USDA NRCS . Получено 19 декабря 2017 г.
^ ab Бассо, Бруно; Дюмон, Бенджамин; Каммарано, Давиде; Пеццуоло, Андреа; Маринелло, Франческо; Сартори, Луиджи (март 2016 г.). «Экологические и экономические преимущества внесения азотных удобрений с переменной нормой в зоне, уязвимой к нитратам». Science of the Total Environment . 545–546: 227–235. Bibcode :2016ScTEn.545..227B. doi :10.1016/j.scitotenv.2015.12.104. hdl : 2268/190376 . PMID 26747986.
^ "Управление питательными веществами -- Азот | NRCS". www.nrcs.usda.gov . Получено 19 декабря 2017 г. .
^ Sela, Shai; van Es, Harold M.; Moebius-Clune, Bianca N.; Marjerison, Rebecca; Moebius-Clune, Daniel; Schindelbeck, Robert; Severson, Keith; Young, Eric (2017). «Динамическая модель улучшает агрономические и экологические результаты управления азотом кукурузы по сравнению со статическим подходом». Журнал качества окружающей среды . 46 (2): 311–319. doi : 10.2134/jeq2016.05.0182 . PMID 28380574.
^ Saol, TJ; Palosuo, T.; Kersebaum, KC; Nendel, C.; Angulo, C.; Ewert, F.; Bindi, M.; Calanca, P.; Klein, T.; Moriondo, M.; Ferrise, R.; Olesen, JE; Patil, RH; Ruget, F.; TAKÁČ, J.; Hlavinka, P.; Trnka, M.; RÖTTER, RP (22 декабря 2015 г.). "Сравнение производительности 11 имитационных моделей сельскохозяйственных культур при прогнозировании реакции урожайности на азотное удобрение" (PDF) . Журнал сельскохозяйственной науки . 154 (7): 1218–1240. doi :10.1017/S0021859615001124. S2CID 86879469.
^ Кантеро-Мартинес, Карлос; Плаза-Бонилья, Даниэль; Ангас, Педро; Альваро-Фуэнтес, Хорхе (сентябрь 2016 г.). «Лучшие методы управления обработкой почвы и внесением азотных удобрений в богарных условиях Средиземноморья: сочетание полевых подходов и подходов к моделированию». Европейский журнал агрономии . 79 : 119–130. дои : 10.1016/j.eja.2016.06.010. hdl : 10459.1/62534 .
Внешние ссылки
Агентство по охране окружающей среды США — Операции по кормлению животных — Требования к федеральным разрешениям на водопользование для AFO
Управление питательными веществами в навозе от Национальной инициативы по распространению сельскохозяйственных знаний (США)
