Всички култури се нуждаят от азот (N), за да може да фотосинтезират и увеличават своята листна маса, в следствие на което се влияе върху качеството и количеството на добива. Зърнените култури също се нуждаят от N за увеличаване на добива, но също така той определя и качеството на продукцията по отношение на количеството протеин в пшеницата. Оптималната ефективност се постига, чрез контролирано торене на зърното по време на нарастване на листната маса и зреене на културата. Азотът винаги ще бъде необходим за развитието на растенията. Определяне на оптималните норми и срокове на торене ще доведе до ефективно използване на този макронутриент. Устойчивото управление на N, чрез агрономически практики и подходящи сортове пшеница са от съществено значение за селското стопанство. За да се постигне максимална икономическа ефективност от торенето с азот е необходими да се избегне отрицателното въздействие върху околната среда като – излужване и замърсяване на подпочвените води с нитрати или отделяне на парникови газове в атмосферата съдържащи азот.
1. Въведение.
Съществува абсолутна необходимост на растенията от азот за техния растеж, а добива и качеството на продукцията зависят от азотно торене. Химическите N торове за първи път се използват в селското стопанство през 19 век. Към днешно време повече от половината от химически фиксираният азот в света се използва за наторяване в селското стопанство и надхвърля 80 милиона тона в световен мащаб.
Зърнените култури са основен источник на храна в света, като доставят повече от 50% от калории необходими на хората. Растениевъдството трябва да продължава да расте с нарастващото търсене, а подобряването на добивите и устойчивостта в производството са основното предизвикателство пред настоящото селско стопанство. Технологиите в различните страни варират значително в зависимост от климатичните фактори и почвеното плодородие. Във всички селскостопански системи има нужда от хранителни вечества, които обикновенно се доставят като тор. Азотът е основен макронутриент, често ограничаващ растежа на растенията. Прилагането на N торове в селското стопанство се е увеличило значително от средата на 20 век, поради въздействието на „зелената революция“, която комбинира най-добрите агрономически практики с използването на пшеници, които да реагират по-добре на азотното торене. Увеличеното азотно торене води до образуване на по-голяма вегетативна маса с потенциал на по-голямо фотосинтезиране и увеличаване на добива. В следстви на образуване на голяма вегетативна маса, пшеницата е податлива на полягане. Този проблем предизвика необходимостта за внедраване на ниски пшеници с твърдо стебло, а използването на растежни регулатори допълва устойчивостта. В допълнение, високия индекс на реколтата (съотношение на зърно към общата биомаса при пребиране на реколтата) и нискостеблените сортове, допълнително допринасят за ефективното използване на хранителните ресурси, като се намалява загубата на азот акумулирана в растителните остатъци след прибиране на реколтата.
Повечето мерки за ефективно усвояване на азота се базират като функция на вложения тор при постоянна почвена влажност, като всяко увеличаване на добива ще се регистрира като по-голяма ефективност на усвояването. Този начин на определяне на ефективността от усвояване на азота е подвеждаща, защото дава висока ефективност при ниска влажност на почвата.
Въпреки, че по-голямото приложение на N води до по-високи добиви, това не е линейна връзка и има икономическо оптимално приложение, компенсиращо увеличаването на добива спрямо цената на допълнителното азотно торене. Пшеницата се нуждае от N през целия си вегетационен период от покълването до наливането на зърното. Недостигът на макронутриентът през всеки един момент ще повлияе негативно върху добива, затова необходимостта от азотно торене на полето се определя на база целия цикъл на развите на пшеницата. Оптимизацията на растениевъдството и ефективността на усвояването на азота е сложен проблем и ще изисква сложен набор от решения за постигане на подобрение.
2. Тендеции в добива и ефективно усвояване на азота.
През втората половина на 20-ти век добивите от пшеница в световен мащаб са се увеличили средно със 100 до 300 кг. на дка, като средният добив във Великобритания от по- малко от 300 кг./дка е нарастнал до около 800 кг./дка. Нарастването на добива е най-голям през 70-те години на миналия век в следствие въвеждането на късостеблени сортове с малка надземна маса, устойчиви на полягане, което дава възможност за по-големи азотни норми на торене. От тогава покачването на добивите в световен мащаб е по-скромно. Във Великобритания до 80-те години се е смятало, че внасянето на азотни торове е правопропорционално на добива. От тогава законодателството на Обединеното кралство въвежда ограничения до 20 кг.N/дка. След този период се наблюдава увеличение на добивите със 100 до 200 кг./дка при непроменено азотно торене, което е показател за по ефективно усвояване на азота в следсвие въвеждане на нови сортове.
Промяната на добива от пшеница в следствие увеличаване на азотното торене е показано на фиг. 1. Данните са взети от класическия експеримент на Broadbalk в Rothamsted. Те илюстрират положителната полза от увеличаване на добива с увеличаване на N торене до около 19,2 кг. N на дка, след което има малко очевидно увеличение на добива за тестваните култури. Тези данни също илюстрират отрицателното въздействие върху околната среда в следствие излужване на азота при по-високи торови норми. Когато ефективността от усвояването на азота се изчислява като функция на добива на зърно по прогнозно азотно торене, това намалява загубите на азот от излужване.
Положително въздействие от увеличаването на добива, заедно с допълнителната полза от увеличаване на съдържанието на N в културата с увеличаване на приложеното количество N е показано на фиг.2 от анализ на експериментални данни от Мрежата за генетично подобряване на пшеницата във Великобритания (WGIN) в опит проведен в Ротманстед. С прилагането на азотно торене между 0 и 20 кг.N/дка, добивът и усвояването на азота значително се увеличават. При най-висок разход на N 35 кг./дка не се наблюдава по-нататъшно увеличение на добива, въпреки че е очевидно усвояването на азота. Голяма част от поетия допълнително азот се проявява в по-високо съдържание на азотни съединения в зърното. Скоростта на усвояване на азота е в голямо разнообразие при различните сортове използвани в 4-ри годишните опити и при различни метеорогични условия. Неспособността на реколтата да реагира с увеличаване на добива с торови норми над 20 кг.N/дка може да бъде свързана и с биотични и абиотични фактори – намалена фотосинтеза или недостиг на вода. Генетичният потенциал на сортовете трябва да надвишава средната стойност, постигната при тези опити (1000 – 1100 кг./дка). Скромното увеличение на добива въпреки високите торови норми (35 кг.N/дка в сравнение с 20 кг.N.дка) показва или лошо усвояване или лошо улавяне на използвания азот.
3. Азотни цикли.
Намаляването на нуждите от азот на зърнените култури предполага повишена ефективност на прилаганите N торове. По-големи норми на торене при по-ниска почвена влажност предполагат по идеални условия за усвояване на макронутриента, обаче, съществува сериозно ограничение за подобна опростена цел и е необходимо да се разгледат поотделно всеки сорт и съответните физиологични характеристики, които допринасят за ефективното усвояване на азота. Увеличаването на добива без увеличаване на вложените торове по дефиниция ще даде по-голяма ефективност на използване на вложения тор, но това може да е за слетка на качествените показатели на зърното. Тези въпроси са разгледани по-долу.
Има много дефиниции за ефективно усвояване на азота. То може да бъде дефинирано като добив на единица N, наличен в културата. Наличният N включва внос на торове, атмосферно уловен и от минерализация в почвата. Азотът от наличната минерализация на почвата зависи от съдържанието на органична материя в нея и историята на ротация на културите. В добълнение към сеитбооборотът ако се включат бобови култури ще допринесат до билогична фиксация на азот.
Общата характеристика на ефективното усвояване на азота, може да бъде разделена на ефективност на поглъщането и ефективност на използването на азота, като то е продукт и на двете. Ефективното поглъщане на азота може да бъде дефинирано като количеството N поето от културата като част от количеството N достъпно за културата от всички источници. Тази характеристика е свързана предимно с характеристиката и функционирането на корените, въпреки че тяхната поглъщателна способност може да бъде нарушена и да се намали ефективността на усвояване на наличния азота. Идеалните условия ще бъдат когато имаме ранно развитие на кореновата система за да се усвои азота разположен в повърхностния почвен слой. В последствие развитите корени ще използват за храна азота в дълбочина и ще предотвратят излужването на N. Като цяло ефективното усвояване на азота в световен мащаб се определя едва на 33% за всички зърнени култури. То се определя по формулата (изнесеният N с продукцията – N в почвата) / количеството приложен N тор.
Ефективното използване на азота за формиране на добива от зърно се определя като разделим добива на поетото количество азот. Физиологично това се дължи на фотосинтетичната ефективност на класа и способността да се получава добив на зърно като функция на фиксираните вещества продукт на фотосинтезата. Най-висока ефективност на използването ще се получи когато усвояването на N се сведе до минимум. Както вече беше посочено азота е необходим първоначално за протичане на фотосинтезата в класа и в крайна сметка допринася за синтеза на протеини и определя качеството на зърното.
Цикълът на азота е показан на фиг.3. Схемата обобщава основните входящи, междинни и изходящи потоци, каквато се очаква при високо интензивна интегрирана система за производство на пшеница. Входящият азот е предимно от торове, оптимално доставени в множество дози, предназначен да осигури нужният N на реколтата в различните фази на развитие. Допълнително азот за реколтата се осигурява от въздушното отлагане и менерализацията на органичните вещества в почвата, процес, който протича през цялата година и осигурява важни ресурси преди първото азотно торене. В идеалния случай загубите от излужване на азота ще бъдат намалени до минимум, ако количеството и сроковете за прилагане са съобразени с нуждите на растението. Преди наливане на зърното, N е необходим за образуване на надземна маса и корени. След цъфтежа и по време на наливане на зърното е възможно поемане на азот, който ще се разпредели директно в зърното, въпреки това голяма част от азота в зърното ще бъде от преразпределение от листната маса, като по този начин ще се гарантира цялостно оптимално използване на поетия N.
Прилагането на малко или никакъв тор, до прибиране на реколтата води до изчерпване на почвените минерали и влошаване качеството на почвата. Добивите при такива обстоятелства не са устойчиви и прилагането на оценката за ефективно усвояване на азота е погрешна. При липса на торене, извличането на хранителните вещества ще доведе до още по-малко продуктивни земи. В този случай най-рационално е заораване на растителните остатъци с цел минерализация.
4. Управление на N в селскотопанската среда.
4.1. Агрономическа практика.
Както вече беше посочено, в световен мащам ефективността на използване на азота варира значително, затова и практиките за торене се адаптират на местно ново, като се отчитат вариациите на ефективното усвояване на азота. Въпреки, че има възможност за подобрение, икономиката и местните обичаи диктуват общата практика. В допълнение, балансираното хранене е от съществено значение, както за добива, така и за качеството, а също и за индивидуалната ефектифност за използване на хранителните вещества.
Азотът може да се прилага в различни форми, вариращи от органични торове до различни неорганични амониеви и нитратни соли, карбамид и безводен амоняк. Методът и времето за прилагане на азотните торове, трябва да сведе до минимум летливите загуби и тези от излужване. В повечето стопанства, агрономическите практики са прецезирани, за да се увеличи до максимум усвояването на N, но винаги има какво да се подобри. Приети са множество практики за приложение на азотните торове, които съвпадат с критичните периоди на растеж на зърното. На тяхна база се съставят карти на добива, които служат за оптимизиране на добива.
4.2. Инхибитори на нитрификацията.
Нитрификацията е превръщането на амоняка в нитрат, като последният има по-голяма склонност към излужване. Голяма част от азота, прилаган в световен мащаб е в амониева форма и забавянето на превръщането в нитрати може да улесни по-ефективното улавяне от растенията. Амидният може да бъде по-добър източник на азот за растението, тъй като е необходима по-малко енергия за усвояването. Предлагат се химични инхибитори на нитрификацията, но са скъпи. Някои растителни видове произвеждат ексудати, които са инхибитори на нитрификацията и трансфрът на тези гени може да се използва за подобряване на усвояването на азота.