Nutrient Uptake by Crops and Their Balance in the Soil of a Field Crop Rotation
DOI:
https://doi.org/10.31359/2413.7642.2026.1.102Keywords:
fertilization, main product, nitrogen, phosphorus, potassium, balance intensityAbstract
Formulation of the problem. To achieve a neutral level of soil degradation, it is necessary to apply agrotechnologies that ensure the restoration of soil fertility and prevent environmental pollution. At the same time, it is important to establish rational parameters of the nutrient balance, taking into account soil properties and prospects for their improvement. The purpose of the research – to determine the effect of fertilizer application systems in a field crop rotation on the removal of main nutrients with the main products, as well as their balance and its intensity in podzolized chernozem of the Right-Bank Forest Steppe. Research methods. The study was conducted in a long-term (since 2010) stationary field experiment of the Uman National University. The balance of the main nutrients in the soil was calculated using a simplified scheme. The input part of the balance included only the supply of nutrients by mineral fertilizers, and for nitrogen, also symbiotic fixation by soybeans. Since the efficiency of nitrogen fixation was not studied in the experiment, the nitrogen fixation coefficient was assumed to be 60 %. In the output part, the removal of nutrients from the main products was taken into account. Research results. The average annual increase in the yield of the main products of crop rotation crops, depending on the fertilization system, compared to the absolute control (5.04 t/ha of grain units), increased by 1.57–3.58 t/ha of grain units, or by 31–71 %. Exclusion of the nitrogen component from the complete mineral fertilizer (N110P60K80 per 1 ha of crop rotation area) reduced crop rotation productivity by 36%, phosphorus by 17 %, and potassium by 12 %. The smallest decrease (4–6 %) was observed in the experimental variants N110P60K40 and N110P30K80. The average annual removal of nitrogen, P₂O₅, and K₂O with the main products of field crop rotation crops ranged within 87.2–148.6 kg/ha, 34.3–60.3, and 31.9–57.0 kg/ha, respectively, and was the highest under the application of N110P60K80. Their share was 56–57 %, 22–23 %, and 21–22 %, respectively, depending on the fertilization system, while the ratio of N : P₂O₅ : K₂O was 1 : 0.39–0.41 : 0.36–0.39. The intensity of the balance of the main nutrients depends on their application rates in the crop rotation and varies within a wide range. The application of nitrogen fertilizers at a rate of 110 kg a.i./ha ensured the formation of a nitrogen balance intensity within 93–108 %, which can be considered balanced. The application of phosphorus fertilizers at a rate of 30 kg a.i./ha covered the removal of phosphorus with grain and seed yield by only 52–59 %. A rate of 60 kg a.i./ha, in combination with nitrogen or with nitrogen and potassium, ensured a phosphorus balance intensity of 100–109 %. Potassium fertilizers (40 kg a.i./ha) provided potassium balance intensity at the level of 73–84 %, depending on the experimental variant. This is sufficient for heavy loamy podzolized chernozem with a high potassium content. Conclusions. According to the balance of the main nutrients in the soil, calculated under the condition of their removal from the field only with the main products (grain and seeds), the best experimental variants are N110P60K80 and N110P60K40, as well as N110P60 as a temporary option, considering that heavy loamy podzolized chernozem has significant potassium reserves both in the soil itself and in the parent material.
References
Список використаних джерел
Bekunda M., Manzi G. Use of the partial nutrient budget as an indicator of nutrient depletion in the highlands of southwestern Uganda. Nutrient Cycling in Agroecosystems. 2003. № 67. P. 187–195. https://doi.org/10.1023/A:1025509400226
IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th ed. Vienna: International Union of Soil Sciences, 2022. URL: https://eurasian-soil-portal.info/wp-content/uploads/2023/02/wrb_fourth_edition_2022-12-18.pdf
Köster W. Nährstoffbilanzen landwirtschaftlich genutzter Boden und Auswirkungen auf die Düngung. Wasser und Boden. 1990. Bd. 42, Nr. 5. S. 330–360
Kulkarni S., Goswami A. Effect of excess fertilizers and nutrients: a review on impact on plants and human population. Proceedings of International Conference on Sustainable Computing in Science, Technology and Management (SUSCOM). Jaipur, 2019. https://doi.org/10.2139/ssrn.3358171
Lehmann J., Bossio D. A., Kögel-Knabner I., Rillig M. C. The concept and future prospects of soil health. Nature Reviews Earth and Environment. 2020. Vol. 1, № 10. P. 544–553. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0080-8
Monther M., Kholoud M., Yahia A., Daniel I. Soil health and sustainable agriculture. Sustainability. 2020. Vol. 12, № 12. 4859. https://doi.org/10.3390/su12124859
Nasser H. A., Mahmoud M., Tolba M. M. et al. Pros and cons of using green biotechnology to solve food insecurity and achieve sustainable development goals. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2021. Vol. 6. 29. https://doi.org/10.1007/s41207-020-00240-5
Revtie-Uvarova A. V., Karatsiuba O. V., Nikonenko V. M., Slidenko O. I. Improved diagnostics of the level of soil nitrogen supply by field and laboratory testing methods. Kharkiv, 2020. 94 p.
Šimanský V., Jonczak J., Horváthová J. et al. Does long-term application of mineral fertilizers improve physical properties and nutrient regime of sandy soils? Soil and Tillage Research. 2022. Vol. 215. 105224. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105224
Балюк С. А., Барахтян В. О., Лазебна М. Є. Методики визначення складу та властивостей ґрунтів. Харків, 2005. Кн. 2. 224 с.
Бердніков О. М., Лісовий Ю. Г., Сорока Ю. В. Баланс азоту, фосфору, калію. У: Біоенергетичні зрошувані агроекосистеми. Київ, 2010. С. 48–54
Бойко В. П. Ефективність доз і співвідношень мінеральних добрив у польовій сівозміні на чорноземі опідзоленому Правобережного Лісостепу України: автореф. дис. … канд. с.-г. наук. Умань, 2020. 17 с.
Войтовик М. В. Продуктивність короткоротаційних сівозмін на чорноземі типовому. Подільський вісник: сільське господарство, техніка, економіка. 2023. № 3 (40). С. 15–20. https://doi.org/10.37406/2706-9052-2023-3.2
Господаренко Г. М., Мартинюк А. Т., Бойко В. П. Баланс фосфору в ґрунті та ефективність фосфордефіцитної системи удобрення. Вісник Уманського національного університету садівництва. 2021. № 1. С. 21–26. https://doi.org/10.31395/2310-0478-2021-1-21-26
Господаренко Г. М., Мартинюк А. Т., Невлад В. І. Обґрунтування межі доцільності застосування фосфорних добрив. Вісник Уманського національного університету садівництва. 2021. № 2. С. 13–19. https://doi.org/10.31395/2310-0478-2021-2-13-19
Господаренко Г. М., Прокопчук І. В., Стасінєвич О. Ю., Бойко В. П. Продуктивність польової сівозміни за різних доз і співвідношень добрив. Наукові горизонти. 2019. № 3 (76). С. 80–86. URL: https://sciencehorizon.com.ua/uk/journals/3-76-2019
Господаренко Г. М., Черно О. Д. Баланс основних елементів живлення за тривалого застосування добрив. Землеробство. 2015. Вип. 2. С. 47–50
Господаренко Г. М., Черно О. Д., Нікітіна О. В. Агрохімія калію. Київ, 2021. 264 с.
Господаренко Г. М. Значення нетоварної продукції у відновленні родючості чорнозему опідзоленого в польовій сівозміні. У: Ґрунти України: трансформація і відновлення родючості: матеріали міжнародної науково-практичної конференції. Київ, 2021. С. 36–38
Господаренко Г. М. Практикум з агрохімії. Київ, 2020. 148 с.
Доценко О. В. Вплив тривалого застосування добрив на агрохімічні показники чорнозему типового та ефективність ресурсноощадних систем удобрення: автореф. дис. … канд. с.-г. наук. Харків, 2013. 23 с.
Камінська В. В., Клименко І. І. Продуктивність культур ланки зернопросапної сівозміни залежно від удобрення. Вісник аграрної науки. 2014. № 8. С. 10–13. URL: https://agrovisnyk.com/oldpdf/visnyk_08_2014.pdf
Концепція досягнення нейтрального рівня деградації земель (ґрунтів) України. Харків, 2018. 32 с.
Крупеников И. А. Черноземы. Возникновения, совершенство, трагедия деградации, пути охраны и возрождения. Кишинев, 2008. 285 с.
Лісовий М. В. Регіональний асортимент мінеральних добрив та ефективні агротехнології їх застосування. Вісник аграрної науки. 2006. Спецвипуск. С. 52–55
Лопушняк В. І. Агрохімічні та агроекологічні аспекти систем удобрення Західному Лісостепу України. Львів, 2015. 217 с.
Мащенко Ю. В., Семеняка І. М., Черячукін М. І., Григор’єва О. М. Ефективність короткоротаційних сівозмін при різних системах удобрення у зоні недостатнього зволоження Правобережного Степу України. Зернові культури. 2022. Т. 6, № 1. С. 169–176. https://doi.org/10.31867/2523-4544/0220
Медведєв В. В., Пліско І. В., Накісько С. Г., Тітенко Г. В. Деградація ґрунтів у світі, досвід її попередження і подолання. Харків, 2018. 168 с.
Молдован В. І., Квасницька Л. С. Вплив сівозмін і удобрення на вміст гумусу в чорноземі опідзоленому Правобережного Лісостепу. Вісник аграрної науки. 2011. № 8. С. 13–16
Нікітіна О. В. Зміна калійного стану чорнозему опідзоленого за тривалого застосування добрив у польовій сівозміні в умовах Правобережного Лісостепу України: автореф. дис. … канд. с.-г. наук. Харків, 2017. 23 с.
Носко Б. С. Фосфор у ґрунтах і землеробстві України. Харків, 2017. 476 с.
Носко Б. С., Гладкіх Є. Ю. Післядія мінеральних добрив на калійний фонд чорнозему типового. Вісник аграрної науки. 2011. № 10. С. 14–16
Олійник В. С. Урожайність і якість зерна культур ланки короткоротаційної сівозміни залежно від удобрення та обробітку ґрунту. Вісник аграрної науки. 2014. № 12. С. 65–68
Сергеєв В. В., Бенцаровський Д. М., Кисіль В. І. Агрохімічні пріоритети охорони родючості ґрунтів. Вісник аграрної науки. 2004. № 11. С. 5–7
Стаціонарні польові досліди України. Реєстр атестатів. Київ, 2014. 146 с.
Ткаченко М. А., Кондратюк І. М., Задубинна Є. В. та ін. Зміни фізико-хімічних властивостей чорнозему типового за інтенсивного землеробства в агроландшафтах Лісостепу. Землеробство та рослинництво: теорія і практика. 2023. № 3 (9). С. 5–14. https://doi.org/10.54651/agri.2023.03.01
Харченко О. В., Прасол В. І., Захарченко Е. А. та ін. До проблеми аналітичної оцінки ефективності мінеральних добрив та екологічних обмежень їх норми. Суми, 2016. 32 с.
Христенко А. О. Теоретичні проблеми методології балансового оцінювання кругообігу макроелементів живлення в системі «добриво–ґрунт–рослина». Агрохімія і ґрунтознавство. 2020. № 90. С. 47–56. https://doi.org/10.31073/acss90-05
Цвей Я. П., Бондар С. О., Семчук С. М. Формування родючості чорнозему в сівозмінах Лісостепу. Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Інноваційні технології у рослинництві: проблеми та їх вирішення». Житомир, 2018. С. 267–271
Ятчук В. Я. Баланс елементів живлення в зерновій сівозміні за різних способів основного обробітку сірого лісового ґрунту. Землеробство. 2014. № 1–2. С. 20–23. URL: https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/opac/search.exe%3FC21COM%3D2%26I21DBN%3DUJRN%26P21DBN%3DUJRN%26IMAGE_FILE_DOWNLOAD%3D1%26Image_file_name%3DPDF/Zemlerobstvo%255F2014%255F1%252D2%255F6%252Epdf
REFERENCES
Bekunda, M., & Manzi, G. (2003). Use of the partial nutrient budget as an indicator of nutrient depletion in the highlands of southwestern Uganda. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 67, 187–195. https://doi.org/10.1023/A:1025509400226
IUSS Working Group WRB. (2022). World reference base for soil resources: International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps (4th ed.). International Union of Soil Sciences. https://eurasian-soil-portal.info/wp-content/uploads/2023/02/wrb_fourth_edition_2022-12-18.pdf
Köster, W. (1990). Nährstoffbilanzen landwirtschaftlich genutzter Boden und Auswirkungen auf die Düngung. Wasser + Boden, 42(5), 330–360.
Kulkarni, S., Kulkarni, S., & Goswami, A. (2019, February 23). Effect of excess fertilizers and nutrients: A review on impact on plants and human population. In Proceedings of the International Conference on Sustainable Computing in Science, Technology and Management (SUSCOM). https://doi.org/10.2139/ssrn.3358171
Lehmann, J., Bossio, D. A., Kögel-Knabner, I., & Rillig, M. C. (2020). The concept and future prospects of soil health. Nature Reviews Earth & Environment, 1(10), 544–553. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0080-8
Monther, M., Kholoud, M., Yahia, A., & Daniel, I. (2020). Soil health and sustainable agriculture. Sustainability, 12(12), 4859. https://doi.org/10.3390/su12124859
Nasser, H. A., Mahmoud, M., Tolba, M. M., et al. (2021). Pros and cons of using green biotechnology to solve food insecurity and achieve sustainable development goals. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration, 6, 29. https://doi.org/10.1007/s41207-020-00240-5
Revtie-Uvarova, A. V., Karatsiuba, O. V., Nikonenko, V. M., & Slidenko, O. I. (2020). Improved diagnostics of the level of soil nitrogen supply by field and laboratory testing methods. Kharkiv.
Šimanský, V., Jonczak, J., Horváthová, J., et al. (2022). Does long-term application of mineral fertilizers improve physical properties and nutrient regime of sandy soils? Soil and Tillage Research, 215, 105224. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105224
Baliuk, S. A., Barakhtian, V. O., & Lazebna, M. Ye. (2005). Metodyky vyznachennia skladu ta vlastyvostei gruntiv [Methods for determining soil composition and properties] (Vol. 2). Kharkiv: Drukarnia No. 13.
Berdnikov, O. M., Lisovyi, Yu. H., & Soroka, Yu. V. (2010). Balance of nitrogen, phosphorus, potassium. In Yu. O. Tarariko (Ed.), Bioenergetychni zroshuvani ahroekosystemy [Bioenergetic irrigated agroecosystems] (pp. 48–54). Kyiv: DIA.
Boiko, V. P. (2020). Efektyvnist doz i spivvidnoshen mineralnykh dobryv u polovii sivozmini na chornozemi opidzolenomu Pravoberezhnoho Lisostepu Ukrainy [Efficiency of doses and ratios of mineral fertilizers in field crop rotation on podzolized chernozem of the Right-Bank Forest-Steppe of Ukraine] (Abstract of PhD dissertation). Uman.
Voitovyk, M. V. (2023). Productivity of short-rotation crop rotations on typical chernozem. Podilskyi Visnyk: Agriculture, Engineering, Economics, 3(40), 15–20. https://doi.org/10.37406/2706-9052-2023-3.2
Hospodarenko, H. M., & Martyniuk, A. T. (2021). Balance of phosphorus in soil and efficiency of phosphorus-deficient fertilization system. Visnyk Umanskoho NUS, 1, 21–26. https://doi.org/10.31395/2310-0478-2021-1-21-26
Hospodarenko, H. M., Martyniuk, A. T., & Nevlad, V. I. (2021). Substantiation of the limits of expediency of phosphorus fertilizer application. Visnyk Umanskoho NUS, 2, 13–19. https://doi.org/10.31395/2310-0478-2021-2-13-19
Hospodarenko, H. M., Prokopchuk, I. V., Stasinievych, O. Yu., & Boiko, V. P. (2019). Productivity of field crop rotation under different fertilizer doses and ratios. Naukovi horyzonty, 3(76), 80–86. https://sciencehorizon.com.ua/uk/journals/3-76-2019
Hospodarenko, H. M., & Cherno, O. D. (2015). Balance of main nutrients under long-term fertilizer application. Zemlerobstvo, 2, 47–50.
Hospodarenko, H. M., Cherno, O. D., & Nikitina, O. V. (2021). Ahrokhimiia kaliiu [Agrochemistry of potassium]. Kyiv: TROPEA.
Hospodarenko, H. M. (2021). Importance of non-marketable products in restoring fertility of podzolized chernozem in crop rotation. In Grunty Ukrainy: transformatsiia i vidnovlennia rodiuchosti (pp. 36–38). Kyiv: NUBiP.
Hospodarenko, H. M. (2020). Praktykum z ahrokhimii [Workshop on agrochemistry]. Kyiv: SIK GROUP UKRAINE.
Dotsenko, O. V. (2013). Vplyv tryvaloho zastosuvannia dobryv na ahrokhimichni pokaznyky chornozemu typovoho ta efektyvnist resursooshchadnykh system udobrennia [Influence of long-term fertilizer application on agrochemical properties of typical chernozem] (Abstract of PhD dissertation). Kharkiv.
Kaminska, V. V., & Klymenko, I. I. (2014). Productivity of crops in grain-row crop rotation depending on fertilization. Visnyk ahrarnoi nauky, 8, 10–13. https://agrovisnyk.com/oldpdf/visnyk_08_2014.pdf
Baliuk, S. A., Medvedev, V. V., & Miroshnychenko, M. M. (Eds.). (2018). Kontseptsiia dosiahnennia neitralnoho rivnia dehradatsii zemel (gruntiv) Ukrainy [Concept of achieving land degradation neutrality in Ukraine]. Kharkiv.
Krupenikov, I. A. (2008). Chernozemy: Vozniknoveniia, sovershenstvo, tragediia degradatsii, puti okhrany i vozrozhdeniia [Chernozems: Formation, perfection, degradation and restoration]. Chisinau: Pontos.
Lisovyi, M. V. (2006). Regional assortment of mineral fertilizers and effective agrotechnologies of their application. Visnyk ahrarnoi nauky, special issue, 52–55.
Lopushniak, V. I. (2015). Ahrokhimichni ta ahroekolohichni aspekty system udobrennia v Zakhidnomu Lisostepu Ukrainy [Agrochemical and agroecological aspects of fertilization systems]. Lviv: Liha-pres.
Mashchenko, Yu. V., Semeniaka, I. M., Cheriachukin, M. I., & Hryhorieva, O. M. (2022). Efficiency of short crop rotations under different fertilization systems in insufficient moisture conditions. Zernovi kultury, 6(1), 169–176. https://doi.org/10.31867/2523-4544/0220
Medvediev, V. V., Plisko, I. V., Nakisko, S. H., & Titenko, H. V. (2018). Dehradatsiia gruntiv u sviti, dosvid yii poperedzhennia i podolannia [Soil degradation in the world and ways to overcome it]. Kharkiv.
Moldovan, V. I., & Kvasnytska, L. S. (2011). Effect of crop rotations and fertilization on humus content in podzolized chernozem. Visnyk ahrarnoi nauky, 8, 13–16.
Nikitina, O. V. (2017). Zmina kaliinoho stanu chornozemu opidzolenoho za tryvaloho zastosuvannia dobryv [Changes in potassium status of podzolized chernozem] (Abstract of PhD dissertation). Kharkiv.
Nosko, B. S. (2017). Fosfor u gruntakh i zemlerobstvi Ukrainy [Phosphorus in soils and agriculture of Ukraine]. Kharkiv.
Nosko, B. S., & Hladkikh, Ye. Yu. (2011). Residual effect of mineral fertilizers on potassium pool of typical chernozem. Visnyk ahrarnoi nauky, 10, 14–16.
Oliinyk, V. S. (2014). Yield and grain quality in short crop rotations depending on fertilization and tillage. Visnyk ahrarnoi nauky, 12, 65–68.
Serheiev, V. V., Bentsarovskyi, D. M., & Kysil, V. I. (2004). Agrochemical priorities of soil fertility protection. Visnyk ahrarnoi nauky, 11, 5–7.
Zaryshniak, A. S., Baliuk, S. A., & Lisovyi, M. V. (Eds.). (2014). Statsionarni poliovi doslidy Ukrainy: Reiestr atestativ [Stationary field experiments of Ukraine]. Kyiv.
Tkachenko, M. A., Kondratiuk, I. M., Zadubynna, Ye. V., et al. (2023). Changes in physicochemical properties of typical chernozem under intensive agriculture. Zemlerobstvo ta roslynnytstvo, 3(9), 5–14. https://doi.org/10.54651/agri.2023.03.01
Kharchenko, O. V., Prasol, V. I., Zakharchenko, E. A., et al. (2016). Do problemy analitychnoi otsinky efektyvnosti mineralnykh dobryv [On analytical evaluation of fertilizer efficiency]. Sumy.
Khrystenko, A. O. (2020). Theoretical problems of methodology of balance assessment of macronutrient cycling.
Tsvei, Ya. P., Bondar, S. O., & Semchuk, S. M. (2018). Formation of chernozem fertility in crop rotations. In Proceedings of international conference (pp. 267–271). Zhytomyr.
Yatchuk, V. Ya. (2014). Nutrient balance in grain crop rotation under different tillage systems. Zemlerobstvo, 1–2, 20–23.