Вымывание (выщелачивание) нитратов

Нитраты имеют решающее значение для поддержки роста растений, но они подвержены вымыванию через почву. Чтобы произошло выщелачивание (вымывание) нитратов:

1. нитраты должны присутствовать в почве,
2. почва должна быть проницаемой для движения воды
3. вода должна проходить через почву.

Нитраты (NO3-) в некоторой степени присутствуют почти во всех пахотных землях, за исключением затопленных почв. Вода, добавленная сверх водоудерживающей способности почвы, будет уносить вниз нитраты и другие соли. Контроль вымывания нитратов может быть сложной задачей для фермеров, поскольку требует одновременного управления двумя основными факторами роста растений: азот (N) и вода. Любой фактор, влияющий на влажность почвы (например, осадки, орошение, испарение и транспирация), будет влиять на перемещение нитратов. Как правило, большее проникновение воды приводит к более глубокому проникновению нитратов в рельеф. Свойства почвы также оказывают большое влияние на степень перемещения нитратов. Однако степень переноса нитратов в грунтовые воды зависит от состояния подстилающей почвы и условий грунта, а также от глубины залегания грунтовых вод.

Наличие нитратов✅

Нитрат является основной формой выщелоченного (вымытого) азота. Аммоний (NH +) является другой основной формой неорганического азота в почвах, но обычно он не проникает далеко в почву. Нитраты на поле могут поступать из многих источников, включая навоз, компост, разлагающиеся растения, септики или удобрения. Геологические источники ископаемого азота могут добавлять в воду значительные количества нитратов в некоторых регионах. Поведение нитратов не зависит от источника азота. Простой факт заключается в том, что любой нитрат, доступный для поглощения растениями, подвержен потере при вымывании (выщелачивании).

Одним из ключевых методов снижения потерь при вымывании является сведение к минимуму количества нитратов, присутствующих в почве в любой момент времени. Эта цель может быть труднодостижимой, поскольку быстрорастущие культуры требуют достаточного количества азота и могут потреблять до 2,3 кг азота в сутки (10 кг аммония в сутки).

В то время как корни растений поглощают нитрат, растворенный в воде, одновременно происходят и другие реакции, в том числе:

• Иммобилизация (преобразование нитратов в органические соединения)
• Денитрификация (превращение нитратов в азотные газы)
• Выщелачивание, вымывание (потеря ниже корневой зоны)
• Эрозия и сток (потери с поверхностными водами во время дождей или орошения).

Поскольку нитрат подвержен многим трансформациям и способам потери, в идеале концентрация нитратов должна быть не больше, чем требуется для удовлетворения потребностей растений в питании. К моменту сбора урожая необходимо максимально снизить количество нитратов в почве, чтобы свести к минимуму потери между посевами. Использование небобовых озимых покровных культур для восстановления остаточного нитрата почвы может быть эффективным в некоторых ситуациях.

Температура почвы в основных сельскохозяйственных регионах Калифорнии достаточно высока, чтобы поддерживать минерализацию органических веществ в течение всего года. Этот процесс способствует внесению нитратов в почву в течение всего года.

Свойства почвы

Свойства почвы влияют на выщелачивание (вымывание) нитратов, потому что они определяют, как движется вода. Фермеры не могут изменить некоторые свойства почвы (например, текстуру), но могут существенно влиять на другие (например, структуру).

🟧Текстура почвы: Доля мелких (глина), средних (ил) и крупных (песок) частиц в почве. Текстурный треугольник используется для определения текстурного класса.

🟧Структура почвы: Выстраивание частиц почвы в стабильные единицы (комплексные соединения). Структура почвы может варьироваться от рыхлой и сыпкой, до глыбовой, пластинчатой или массивной (без структуры). Вода проходит через почву самым легким путем и в основном течет вокруг комплексных соединений, а не через них.

🟧Влагоудерживающая способность: максимальное количество воды, которое может храниться в почве, важно для оценки потенциала выщелачивания нитратов. Песчаные почвы не могут удерживать столько воды, сколько почвы с суглинистой структурой.

🟧Пористость почвы: пространство между частицами почвы, которое занято постоянно меняющимся количеством воздуха и воды. Пористость определяется текстурой почвы и структурой почвы. Уплотнение уменьшает количество и размер пор почвы.

🟧Проницаемость почвы: это свойство определяется текстурой и структурой почвы. Размер и расположение пор определяют скорость инфильтрации (движение воды в почву) и скорость просачивания (движение воды через почву). Проницаемость - это мера воды, движущейся через поры насыщенного грунта (также называемая насыщенной гидравлической проводимостью).

🟧Вадозная зона (ненасыщенная зона): эта зона находится в ненасыщенной зоне за пределами корней, но над грунтовыми водами. Вадозная зона обычно простирается на глубину от 7,5 метров (неглубокие грунтовые воды) до нескольких десятков метров и более (глубокие грунтовые воды). Эта зона связывает методы ведения сельского хозяйства на поверхности почвы с подземными водами ниже. Трансформации азота, происходящие внутри зоны, не всегда хорошо изучены.

Выщелачивание (вымывание) происходит, когда воздушные пространства в почве заполняются водой, и сила тяжести начинает перемещать воду вниз. Просачивающаяся вода несет в себе растворимые соли, присутствующие в почве, и не является специфической для нитратов.

Почвы с мелкой текстурой (высокоглинистые), как правило, менее восприимчивы к перемещению нитратов, чем почвы с песчаной текстурой, потому что их водопроницаемость значительно ниже. Однако мелкозернистые почвы более склонны к потерям нитратов при денитрификации.

Большая доля просачивания воды и выщелачивания нитратов происходит в крупных порах почвы. Эти поры образуются в результате усадки и набухания глин, как каналы, оставшиеся от разложившихся корней, а также в результате деятельности насекомых и животных. Движение воды через трещины и макропоры в почве (преимущественный поток) может быть в двадцать раз выше, чем в той же почве без трещин. Это движение может позволить нитратам вымываться через почву быстрее, чем можно было бы ожидать.

Изучение текстуры почвы на поверхности почвы может не отражать свойства почвы на глубине. Движущаяся вниз вода, вероятно, столкнется со многими особенностями, такими как залегание грунтовых вод, геологические разрывы и неоднородности, ограничительные слои и другие препятствия для движения нитратов.

Искусственно осушенные поля (с помощью плитчатого дренажа) позволяют воде обходить естественную гидрологию. Большая часть нитратосодержащей воды, которая в противном случае попала бы в грунтовые воды, вместо этого направляется в подземные дренажные трубы и стекает в поверхностные воды.

Влажность почвы

Выщелачивание (вымывание) нитратов происходит только тогда, когда вода проходит через почву, поэтому степень выщелачивания нитратов зависит от степени просачивания воды. Любая практика управления водными ресурсами, ограничивающая просачивание, может ограничить потерю нитратов.

На большей части западных территорий США потери воды в результате испарения и транспирации растений (эвапотранспирация, или суммарное испарение) намного превышают количество осадков в годовом исчислении. Но бывают времена года, когда количество осадков превышает эвапотранспирацию, и произойдет выщелачивание.

Орошаемые земли получают воду в дополнение к осадкам, поэтому увеличивается вероятность вымывания нитратов. При соблюдении тщательных правил орошения риск вымывания нитратов можно свести к минимуму. Эти методы включают:

💧Равномерность полива: соответствующее количество воды распределяется по полю, избегая образования участков с избыточным или недостаточным поливом.

💧График полива: вода не добавляется до тех пор, пока культура не использует доступную ранее влагу в корневой зоне.

💧Размещение воды: Вода добавляется там, где корни растений могут получить к ней доступ. Капельное орошение и микро-разбрызгиватели являются хорошими примерами целенаправленного размещения воды.

💧Количество полива: Вода добавляется только до достижения водоудерживающей способности. Вода, добавленная сверх вместимости, может привести к вымыванию или поверхностному стоку.

Орошаемые поля требуют периодической промывки для удаления накопленных растворимых солей. Некоторое вымывание происходит в результате сезонных дождей, но для снижения засоления почвы часто требуется дополнительная поливная вода. Этот метод солевого контроля вымывает любые нитраты, присутствующие в почве.

Методы управления азотом

Надлежащее управление питательными веществами может значительно снизить риск потери нитратов при вымывании. Это включает в себя рассмотрение следующих факторов:

🔶Источник: Использование аммонийного источника азотных удобрений может временно ограничить начальное перемещение азота. Ингибиторы нитрификации могут временно задерживать появление нитратов. Удобрения с контролируемым высвобождением также эффективны для ограничения потерь нитратов.

🔶Норма: Растущие культуры нуждаются в постоянном поступлении азотных удобрений, но оно должно быть сбалансировано с целью минимизации потерь нитратов. Это требует понимания требований азота растениями для максимальной урожайности или экономической отдачи. Потери при вымывании нитратов существенно возрастают, когда применение удобрений превышает потребности культуры. Следует учитывать наличие нитратов в почве и поливной воде.

🔶Время: понимание потребности в азоте для выращивания сельскохозяйственных культур позволяет фермерам синхронизировать внесение удобрений с потреблением питательных веществ. Увеличение извлечения удобрений приводит к уменьшению количества нитратов, которые подвержены потерям при вымывании.

🔶Место: Азот должен оставаться в корневой зоне, чтобы быть полезным в качестве питательного вещества. Азот, добавляемый в результате фертигации, также требует тщательного регулирования, чтобы избежать потерь из-за глубокой фильтрации или поверхностного стока.

Концентрация против нагрузки

Обсуждения потерь при выщелачивании (вымывании) нитратов обычно предполагают, что более низкие концентрации нитратов всегда желательны для качества грунтовых вод. Чрезмерное количество поливной воды снизит концентрацию нитратов, но может увеличить общие потери азота в результате выщелачивания (вымывания).

Например, Бродбент и Раушколб (1977) измерили потери нитратов на орошаемом кукурузном поле в Дэвисе, Калифорния, которое получило три нормы поливной воды.

1️⃣При обработке с дефицитом воды (1/3 эвапотранспирации) урожайность была снижена, а растения, подвергшиеся стрессу, поглощали меньше азотных удобрений по сравнению с обработкой с полным орошением. Для выщелачивания (вымывания) нитратов ниже корневой зоны применялось недостаточно воды, но из-за плохого роста растений в корневой зоне оставалось большое скопление нитратов.

2️⃣При промежуточной оросительной обработке (1-эвапотранспарация) наблюдалась некоторая потеря нитратов из-за выщелачивания или денитрификации, особенно при высокой норме внесения азота, но урожайность сельскохозяйственных культур была максимальной.

3️⃣При избыточной оросительной обработке (5/3 эвапотренспорации) вода перемещала большое количество азота ниже корневой зоны, и после сбора урожая в корневой зоне оставалось минимальное количество нитратов.

Если бы в этом исследовании были измерены только концентрации нитратов в почве, можно было бы сделать неверные выводы. Более высокие концентрации нитратов были измерены в корневой зоне при орошении 1-ЭТ, чем при обработке 5/3 ЭТ. Но при обработке 5/3 ЭТ вводилась дополнительная оросительная вода, которая разбавила «концентрацию», но имела большую общую потерю нитратов (выщелоченные кг).

Резюме

Существует множество вариантов управления, которые, в зависимости от местных условий, следует применять для улучшения управления нитратами.

Управление питательными веществами

🟡Используйте подходящие источники азота (включая растворимые удобрения, удобрения с контролируемым высвобождением и ингибиторные добавки).

🟡Правильно используйте органические материалы, знайте их содержание азота и ожидаемую скорость высвобождения азота.

🟡Отрегулируйте норму внесения азота для достижения реалистичных целей по урожайности сельскохозяйственных культур.

🟡Анализируйте почвы и поливную воду на наличие нитратов.

🟡Поместите азот как можно ближе к корням растений.

🟡Синхронизируйте внесение азота с периодами пикового спроса растениями.

🟡Откалибруйте оборудование для внесения удобрений, чтобы обеспечить желаемую норму азота.

Управление водными ресурсами

1️⃣Учитывайте свойства почвы при подаче воды.

2️⃣Добавьте поливную воду в соответствии с потребностями растений, измеренными по испарению (измеренными с помощью эвапотранспирации).

3️⃣Используйте соответствующее количество поливной воды, чтобы свести к минимуму выщелачивание (вымывание) нитратов.

4️⃣Максимально прицеливайте подачу оросительной воды к корням растений.

Управление растениеводством и почвой

🟢Подумайте, как обработка почвы и растительные остатки влияют на проникновение воды и выщелачивание.

🟢Используйте небобовые покровные культуры для восстановления остаточных нитратов после сбора урожая.

🟢Используйте тестирование почвы и тканей, чтобы определить потребность в дополнительных азотных удобрениях.

🟢Внедрите севооборот, при котором можно использовать глубоко укоренившиеся культуры для извлечения нитратов из более глубоких слоев почвы.

🟢Уделяйте пристальное внимание культурам, которые требуют высоких норм внесения азотных удобрений и частого полива, поскольку они могут быть уязвимы к потере нитратов.

🟢Учтите, что для многих ценных культур стоимость азотных удобрений может быть относительно небольшой по сравнению с потенциальным доходом. Однако существуют «экологические издержки» потери нитратов в грунтовые воды, которые могут не проявляться в течение многих лет.

Чтобы свести к минимуму выщелачивание (вымывание) нитратов, необходимо поддерживать в корневой зоне только количество нитратов, достаточное для удовлетворения потребностей растений в питательных веществах, и применять минимальный объем воды для удовлетворения требований транспирации сельскохозяйственных культур. Эти цели обычно достигаются за счет (1) использования высокоурожайных культур, которые удаляют значительное количество азота из убранной области; (2) использования правильного источника удобрений, внесения правильной нормы, в нужное время и добавления в нужном месте; (3) тщательного управления водными ресурсами для удержания нитратов в корневой зоне в течение вегетационного периода; (4) защиты растений от сорняков, вредителей и болезней; и (5) устранения любых других факторов, которые могут ограничить как рост урожая, так и потребление им питательных веществ.