Nigdy za wiele o efektywności azotu

We wcześniejszych wpisach była mowa o wszystkich ważniejszych składnikach mineralnych, z wyjątkiem azotu, choć bardzo często pierwiastek ten pojawiał się w tle. Nadrabiając zaległości, dzisiaj kilka słów o azocie. Rozpocznijmy od pozornie banalnego stwierdzenia: „…nie ma drugiego takiego składnika jak azot…”. Teoretycznie moglibyśmy powiedzieć tak o każdym pierwiastku pobieranym przez rośliny. Na czym więc polega specyfika azotu? 

Azot – jak żaden inny składnik – wykazuje trudne do przecenienia działanie plonotwórcze lecz źle aplikowany może okazać się bardzo niebezpieczny ekologicznie. Dlatego, nawet jeśli niektórych to trochę znudzi, muszę poruszyć kilka wydawałoby się odległych tematycznie kwestii, po to by lepiej zrozumieć chemizm tego pierwiastka. Mam nadzieję, że to z kolei pozwoli na uniknięcie niepotrzebnych błędów w tak zwanej gospodarce azotem. Nawóz azotowy, jak każdy środek produkcji, musi kosztować. Rolnik, jak każdy przedsiębiorca, musi liczyć koszty. Zatem bez względu na motywacje (ekonomiczne czy ekologiczne) zwrócenie uwagi na ograniczanie rozpraszania azotu w środowisku ma sens. Wiem doskonale, że lepiej na wyobraźnię działa motywowanie w sferze nakładów finansowych ponoszonych na nawożenie. Proszę jednak pamiętać, że za działania naprawcze związane z zanieczyszczeniem środowiska przez związki azotu, prędzej czy później zapłaci społeczeństwo czyli podatnik. Nawet jeśli niektórym wydaje się, że zrobi to Unia Europejska. Cóż, czas kończyć ten akapit zanim w sposób niezauważony przejdziemy od nawożenia do polityki.

Azot w glebie

Zacznijmy od przemian azotu w glebie. Wbrew pozorom zawartość azotu ogólnego w glebach polskich wcale nie jest mała. Problem dotyczy jednak form tego składnika. Generalnie w profilu glebowym dominują organiczne związki azotu, z których nie mogą korzystać rośliny. Tylko około 5% puli to formy mineralne, dostępne dla roślin (rycina 1). Przypomnę, że rośliny mogą pobierać azot jako kation NH₄⁺ lub anion NO₃^–.

Rycina 1. Formy azotu w glebie – schemat

To bardzo specyficzna cecha azotu. Tylko siarka wykazuje podobny udział form organicznych w glebie. Skoro dominacja związków organicznych jest tak duża warto zastanowić się czy możliwe jest wykorzystanie, choć niewielkiej części tych zasobów. Odpowiedź brzmi: tak, z zastrzeżeniem, że musi być spełnionych szereg warunków. Skorzystanie przez rośliny z azotu organicznego jest możliwe po procesie mineralizacji, który przeprowadzają bakterie glebowe. Czynnikami sprzyjającymi uwalnianiu azotu i innych pierwiastków z materii organicznej są temperatura (im wyższa, tym proces przebiega szybciej) i odpowiednia wilgotność gleby. Nie powinno więc nikogo dziwić, że mineralizacja przebiega szczególnie intensywnie w okresie lata. Czy rzeczywiście, nikt się nie zdziwił? Część czytelników pomyślała pewnie – przecież latam „nie pada”. Wiem, wiem ten rok w Polsce był upalny i suchy. Gdyby jednak prześledzić dane meteorologiczne z wielolecia okazałoby się, że ilość opadów w półroczu letnim jest większa niż w okresie jesienno-zimowym. To z kolei oznacza, że największe uwalnianie azotu z zasobów glebowych następuje od początku czerwca do końca sierpnia. W zależności od kategorii agronomicznej gleby i nawożenia w przeszłości możemy liczyć na dopływ około 25-50 kg N/ha. Generalnie, w porównaniu ze słabszymi stanowiskami ilość zmineralizowanego azotu jest zdecydowanie większa w glebach średnich i ciężkich. Warto jednak pamiętać, że wspomniane wyżej ilości azotu są praktycznie bez znaczenia dla takich upraw jak pszenica ozima czy rzepak ozimy, gdyż intensywna akumulacja azotu przez te rośliny kończy się na początku czerwca.

Dlaczego azot może być niebezpieczny?

Na ten temat można byłoby napisać klika artykułów. Mówiąc najprościej problemy środowiskowe wynikają z rozpraszania obu form azotu mineralnego czyli kationów amonowych i anionów azotanowych. Azot amonowy może ulatniać się do atmosfery jako amoniak, tam ulegać przemianom do podtlenku azotu, powodując negatywne skutki zarówno lokalnie jak i w skali globalnej, z wzmożonym efektem cieplarnianym włącznie. Bardzo niebezpieczne dla agroekosystemów jest także przemieszczanie azotanów do cieków wodnych i wód gruntowych, co zresztą uwzględniono w wielu aktach prawnych, w tym w Dyrektywie Azotanowej. Może będzie jeszcze okazja przybliżyć dokładniej te zagadnienia. Na tą chwilę zapamiętajmy, że bez względu na formę azotu bardzo ważne są termin i sposób aplikacji konkretnych nawozów. W ten sposób przechodzimy to praktycznych uwarunkowań stosowania nośników azotu w rolnictwie. Kilka porad praktycznych, dotyczących ograniczenia strat azotu:

• Nawozy amonowe i amidowe (mocznik) w możliwie krótkim okresie po zastosowaniu należy wymieszać z glebą, po to by ograniczyć ulatnianie azotu do atmosfery;
• Ta sama zasada dotyczy obornika i gnojowicy – w obu nawozach dominującą formą azotu jest N-NH₄; o ile to możliwe optymalnym rozwiązaniem jest doglebowa aplikacja gnojowicy;
• Unikać nawozów amonowych na glebach wapiennych i świeżo zwapnowanych, ponieważ, w odczynie zasadowym ulatnianie amoniaku jest szczególnie intensywne;
• Formę azotanową (NO₃) stosować pogłównie, gdy aktywny jest system korzeniowy roślin, co oznacza mniejsze prawdopodobieństwo wymycia azotanów;
• Na obszarach szczególnie narażonych na wymywanie azotanów (gleby bardzo lekkie, duże prawdopodobieństwo wystąpienia obfitych opadów, długi okres wegetacji) warto rozważyć stosowanie nawozów z inhibitorami nitryfikacji;

Myślę, że powinienem skomentować informację zawartą w pierwszym punkcie, dotyczącą stosowania mocznika. Azot w tym nawozie znajduje się w formie amidowej czyli organicznej. Warunkiem koniecznym umożliwiającym pobranie azotu przez korzenie roślin jest hydroliza mocznika, w wyniku której pojawia się amonowa forma azotu – podatna na ulatnianie. Przyznam, że zdania uczonych (czytaj naukowców), co do efektywności pogłównej aplikacji mocznika w formie stałej (nie dolistnej) są podzielone. Nie brakuje umiarkowanych sceptyków, choć grono zwolenników jest też całkiem spore. Przyznam, że bliżej mi do tych pierwszych.

Efektywność – jak to zmierzyć?

Kupując nawóz oczekujemy, żeby działał efektywnie. Gdy zapytamy co to znaczy, usłyszymy zapewne odpowiedź: nawóz ma spowodować możliwie duży przyrost plonu, i słusznie. Dociekliwy rolnik czy student zapyta jednak: jak to zmierzyć? Po napisaniu poprzedniego zdania pomyślałem, że możliwa a nawet prawdopodobna jest też opcja rolnik-student. Niezdecydowanych zapraszam. OK, wracam do tematu. Otóż, gdyby otworzyć współczesne podręczniki przeznaczone dla studentów Rolnictwa znajdziemy przynajmniej kilka wzorów na obliczenie różnych wskaźników efektywności azotu. Nie mam zamiaru każdego z nich przywoływać lecz zaznaczę, że do oceny efektywności nawozu czy składnika konieczny jest tzw. obiekt kontrolny czyli ninawożony, do którego odnosi się uzyskane efekty plonotwórcze. W praktyce do oceny działania nawozu często używa się wskaźnika  –  wykorzystanie składnika z nawozów (W), wyrażanego w %. Jest to różnica między akumulacją danego pierwiastka pobranego w wariancie nawożonym i nienawożonym (kontrola), podzielona przez dawkę. Jeśli wyliczona wartość wynosi 60% to znaczy, że z całej puli składnika dostarczonego z nawozem (przykładowo 100 kg N/ha) roślina pobrała tylko 60 kg N/ha. Co z resztą? Uległa stratom czyli rozproszeniu w środowisku, o których pisałem przed chwilą. Powyższy przykład nie jest przypadkowy, gdyż poziom wykorzystania azotu z nawozów w naszej strefie klimatycznej wynosi średnio około 50-60%. Nie oznacza to jednak, że nie może być większy. Właśnie o tym jest ten tekst.

Warunki uzyskania dużej efektywności azotu 

Istnieją trzy zasadnicze grupy czynników warunkujących uzyskanie dużej efektywności nawożenia:

• Względnie mała zawartość w glebie składnika wnoszonego z nawozem – w naszym przypadku azotu;
• Dobre zaopatrzenie w pozostałe składniki mineralne (P,K,Mg,Ca,S i mikroelementy);
• Optymalny układ warunków glebowych (odczyn), klimatycznych (opady) i odpowiednia agrotechnika (uprawa przedsiewna, ochrona łanu).

W każdym z punktów dotknęliśmy bardzo ważnych kwestii, od których zależy powodzenie podjętej strategii nawożenia. Tak na marginesie – nieznajomość powyższych zasad dyskwalifikuje każdego mojego studenta i sprawia, że do tematu wracamy w sesji poprawkowej. Oczywistym jest fakt, że im mniej składnika w glebie tym efektywniej działa nawóz. W tym momencie nie po raz pierwszy zresztą powraca kwestia oceny zasobności gleby. Odnośnie azotu ocena ta jest dość specyficzna, o czym pisałem tutaj. Równie ważna jest zasobność gleby w pozostałe składniki, co w przypadku azotu jest szczególnie ważne. Wrócimy do tego za chwilę. Teraz odwołajmy się do prawa minimum, które de facto stanowi podwaliny klasycznej chemii rolnej, choć praktyczna interpretacja jest zdecydowanie szersza. Przypomnę tylko, że Justus von Liebig w 1841 roku opublikował (sformułowane wcześniej przez Carla Sprengela) prawo, zgodnie z którym ograniczającym jest czynnik znajdujący się w minimum w stosunku do potrzeb. Nie można zatem spodziewać się dużej efektywności nawet najlepszego nawozu azotowego – stosowanego „zgodnie ze sztuką” – w sytuacji, gdy czynnikiem ograniczającym wzrost rośliny okaże się na przykład niska zasobność gleby w potas, fosfor czy magnez. Pamiętajmy o tym, zaczynając od bilansowanie makroskładników pierwszoplanowych (PK).  Dopiero gdy te będą w optimum zajmijmy się pozostałymi. Myślę, że graficzna interpretacja prawa minimum nie wymaga dalszego komentarza (rycina 2) .

Rycina 2. Graficzna interpretacja prawa minimum – podano za Grzebiszem

O ile rolnik nie ma wpływu na warunki klimatyczne, to z pewnością może kontrolować jedną z podstawowych właściwości gleby czyli odczyn. Ktoś zapyta: jaki ma to związek z azotem? Już spieszę z wyjaśnieniem. Zanim to jednak nastąpi spójrzmy na zamieszczoną poniższej rycinę 3.

Rycina 3. Wpływ dostępności azotu na pokrój rośliny – schemat

Chciałbym być dobrze zrozumiany. Z powyższego schematu nie wynika, że dobre zaopatrzenie w azot oznacza zmniejszenie systemu korzeniowego. Roślina po prawej stronie ma normalny pokrój, natomiast ta po lewej poszukując azotu rozwinęła patologicznie duży system korzeniowy i odbyło się to kosztem biomasy nadziemnej.

Jak widzimy kluczowym jest zwiększenie obszaru eksploracji gleby przez korzenie, przy intensywnym wzroście rośliny. Chodzi o to aby stymulować roślinę do budowy silnego systemu korzeniowego czyli stworzyć warunki efektywniejszego pobierania azotu i wody, także z głębszych warstw profilu glebowego. Budowanie plonu w całym sezonie wegetacyjnym to przecież wypadkowa działania azotu i wody. Rzecz jasna budowany systematycznie plon trzeba chronić ale to już inny temat.

Odczyn – warunek konieczny

Teraz obiecane wyjaśnienie dotyczące relacji odczyn gleby – efektywność azotu. Mam nadzieję, że pamiętamy z poprzednich wpisów, że jednym z zasadniczych problemów w glebie kwaśnej jest słabszy rozwój korzeni, spowodowany toksycznym działaniem kationów glinu. Uszkodzeniu ulega zwłaszcza strefa wzrostu młodych korzeni. Zwróćmy uwagę jakie mogą być zatem konsekwencje zakwaszenia gleby w odniesieniu do gospodarki azotem:

1. roślina nie wykorzystuje w pełni potencjału do pobierania azotu i innych składników – azot nie pracuje, brak efektów plonotwórczych;
2. szybko migrujące w glebie azotany przemieszczają się poniżej strefy ukorzenienia – problem zanieczyszczenia wód gruntowych;
3. ograniczona zdolność do zatrzymywania (magazynowania) kationów NH₄⁺ w kompleksie sorpcyjnym gleby – wymycie także kationów amonowych;
4. znacznie mniejsza aktywność biologiczna gleby – mineralizacja czyli udostępnianie azotu z materii organicznej w miesiącach letnich ograniczone.

Od niedawna firma Luvena oferuje nawóz odkwaszający – Wapniak Kornicki, który ze względu na formulację chemiczną (tworząc zawiesinę) relatywnie szybko reguluje odczyn gleby. Dodatkowym walorem nawozu jest też forma fizyczna, co ułatwia wysiew.

Wszystkie składniki (bez wyjątku) mają pracować na rzecz azotu

Nie po raz pierwszy pozwolę sobie przywołać tą rycinę. Nie umniejszając specyficznych funkcji poszczególnych składników, pamiętajmy o roli każdego z nich w kontrolowaniu efektywności azotu (rycina 4).

Rycina 4.  Współdziałanie azotu z innymi składnikami mineralnymi

Na temat znaczenia każdego z tych składników można przeczytać w Poradach Eksperta na tej stronie, we wpisach publikowanych w poprzednich miesiącach. Teraz tylko krótkie przypomnienie:

Fosfor – silniejsze, rozleglejsze korzenie i większa aktywność włośników korzeniowych = większa akumulacja azotu; stanowi podstawowy składnik związków energetycznych = przetwarzanie prostych związków azotu w aminokwasy i białka;

Potas  – szybsze pobieranie i transport jonów do organów aktywnych fotosyntetycznie, przemieszczanie asymilatów (w tym związków azotu) z liści i łodyg do organów generatywnych (kłosy, łuszczyny, kolby) = efektywniejsze przetwarzanie azotu na plon, wpływ na jakość płodów rolnych;

Magnez – transport węglowodanów z liści do korzeni = pośredni wpływ na funkcjonowanie systemu korzeniowego; aktywacja licznych enzymów, w tym RuBisCO, który katalizuje pierwszy etap Cyklu Calvina w fazie ciemnej fotosyntezy = większa wydajność fotosyntetyczna roślin czyli większa efektywność azotu;

Siarka – wchodzi w skład ferredoskyny, która odpowiada za transport elektronów w wielu reakcjach biochemicznych = decyduje o redukcji azotanów w roślinie, co wiąże się z procesami związanymi z przekształcaniem prostych związków azotu w białka oraz stymuluje aktywność reduktazy (wiązanie azotu);

Wapń – odpowiada za wzrost korzeni = większa pobieranie azotu;

Cynk – kontroluje syntezę auksyn, co wpływa na rozwój merystemów wierzchołkowych w korzeniach = większe pobieranie azotu, szczególnie na początku wegetacji; funkcjonowanie anhydrazy węglanowej w liściach czyli wpływ na wydajność fotosyntezy = azot efektywniej przetwarzany na plon;

Miedź – szeroki wpływ na metabolizm azotu, zwiększenie remobilizacji (przemieszczania) azotu do ziarniaków, nasion, owoców = większy plon, poprawa jakości;

Żelazo, mangan, molibden – zwiększenie aktywności metabolicznej roślin, w tym także aktywności brodawek korzeniowych roślin bobowatych = większa efektywność przetwarzania pobranego azotu na plon biologiczny;

Szanowny Czytelniku – mógłbym tak jeszcze długo, nie o to jednak chodzi. Mój przekaz jest jednoznaczny i brzmi: działania producenta rolnego muszą być skierowane na optymalizację nawożenia azotem, poprzez bilansowanie innymi składnikami. Optymalizacja ta wymaga oczywiście także precyzyjnego ustalenia dawki nawozu, o czym pisałem wcześniej oraz wyboru terminu aplikacji, o czym napiszę wiosną.

Myślę, że mamy już wystarczającą wiedzę teoretyczną. Na koniec kilka zdań o tym jak teorię wprowadzić w życie, a możliwości nie brakuje. Skupmy się na ofercie firmy Luvena, która jest coraz szersza i wszechstronniejsza. O nawozie odkwaszającym pisałem wyżej ale przypomnę raz jeszcze – regulacja odczynu to podstawa. Pewną nowością jest Luboplon siarczanowo-potasowy. Moim zdaniem jest to bardzo ciekawy nawóz, gdyż zawiera trzy różne kationy (potas, wapń i magnez), wszystkie w formie siarczanowej. O tym jak wspomniany nawóz może wpływać na efektywność azotu nie muszę już chyba wyjaśniać. W stanowiskach z mniejszą zasobnością w potas idealnym rozwiązaniem jest Luboplon Kalium, z większą zawartością potasu. Jeśli strategia nawożenia w gospodarstwie oparta jest o tradycyjną sól potasową – produkt taki też znajduje się w ofercie firmy z Lubonia. W takim przypadku, zwłaszcza w słabszych stanowiskach, warto rozważyć wprowadzenie do gleby także Luboplonu wapniowo-magnezowego lub Luboplonu magnezowo-siarczanowego. Luvena to oczywiście sztandarowy produkt czyli superfosfat prosty, szybkodziałający nośnik fosforu i wapnia, zawierający też siarczany wapnia. W stałej ofercie pozostają nawozy z grupy Lubofoska i Lubofos. Na koniec przypomnę jeszcze, że wszystkie nawozy wieloskładnikowe produkowane w Luboniu oprócz składników pierwszoplanowych (NPK lub PK) zawierają jeszcze siarkę i wapń, co jest ogromnym atutem także w kontekście lepszej efektywności azotu.

Jeszcze coś dla osób z zacięciem naukowym. Jak zaznaczyłem wcześniej jednym ze wskaźników charakteryzujących efektywność azotu jest wykorzystanie tego składnika (w %) z nawozu (W). Co jeśli z obliczeń wynika, że uzyskana wartość jest większa niż 100%, a taka sytuacja może się zdarzyć. Z matematycznego punktu widzenia jest to przecież niemożliwe. Taki wynik oznacza, że zastosowany nawóz nie dość, że działał bardzo efektywnie, to jeszcze przyczynił się do uruchomienia w glebie procesów odpowiedzialnych za uwalnianie azotu z zasobów glebowych. Fachowo nazywa się to efekt bodźcowy (priming effect, rycina 5).

Rycina 5. Efekt bodźcowy – schemat

Pisząc ten tekst mam przed sobą zestawione bardzo ciekawe wyniki trzyletnich badań w tym zakresie ale zanim ukaże się publikacja nic więcej na ten temat nie mogę powiedzieć. W zamian inne opublikowane już dane (rycina 6).

Rycina 6. Przykład dobrego zbilansowania azotu w wyniku stosowania magnezu i cynku w kukurydzy (źródło: Potarzycki 2011)