АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Трансформация азота в почве

Азотные соединения способны к различным микробиологическим превращениям и поэтому нередко теряются для растений.

Общий запас азота в почве довольно велик. В пахотном слое дерново-подзолистых почв он достигает 4 т, в черноземах — 6—15 т/га. Основная часть азотного фонда находится в составе гумуса. Небольшое количество азота входит в другие органические соединения почвенного слоя (аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и т. д.), а также в минеральные соединения — преимущественно аммония и азотной кислоты. До 50—60 кг азота на 1 га заключено в плазме микроорганизмов, населяющих пахотный слой почвы.

Указанных запасов могло бы хватить на многие десятки лет для получения очень высоких урожаев. Однако вследствие того, что основная часть азота почвы входит в состав гумусовых соединений, трудно разлагаемых микроорганизмами, сельскохозяйственные культуры обычно испытывают недостаток в этом элементе. Кроме того, допускать уменьшение содержания гумуса в почве нецелесообразно, так как это снижает плодородие почвы.

Потребности сельскохозяйственных культур в азоте приходится удовлетворять минеральными и органическими удобрениями. Минеральные соединения вносят в основном в форме аммонийных и нитратных соединений, а также мочевины.

Некоторое количество аммонийных удобрений, а также аммония, накапливающегося при минерализации органических соединений, закрепляется почвенными минералами (иллитом, монтмориллонитом, вермикулитом и др.). Ион аммония входит в кристаллическую решетку глинистых минералов. Частично аммонийные соединения закрепляются необратимо. Обычно в почвах необменно фиксированного аммонийного азота бывает в 2—4 раза больше, чем обменных и водорастворимых его форм.

Растения и гетеротрофные микроорганизмы могут использовать до половины поглощенного NH4.

Аммонийный азот, как образующийся в процессе аммонификации, так и внесенный с удобрениями, не является в почве стабильным соединением. Под влиянием нитрифицирующих бактерий он окисляется до азотной кислоты. Часть аммиака (4—18%) при нитрификации превращается в закись азота (N2 О). В газообразном состоянии аммиак может теряться в значительных количествах лишь в щелочных почвах.

Процесс нитрификации особенно наглядно проявляется парующей почве, где летом накапливаются нитраты. Под посевами сельскохозяйственных культур соли азотной кислоты практически отсутствуют, или их количество бывает минимальным, так как они потребляются растениями и микроорганизмами ризосферы. Ранней весной и осенью нитратов мало даже в парующих почвах. Это связано с тем, что в холодную погоду соли азотной кислоты довольно энергично потребляются психрофильными микроорганизмами, а жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий при температуре ниже 8—10°С проявляется очень слабо. Следовательно, весной в почве содержится мало минерального азота, и целесообразно использовать азотные подкормки.

Д. Н. Прянишников показал, что нитраты и аммиак — равноценные источники азотного питания растений. Однако превращение солей аммония в азотную кислоту приводит к ряду нежелательных последствий. Так, нитраты не поглощаются почвенными коллоидами и, могут вымываться из почвы. Этот процесс особенно сильно проявляется в зонах, где выпадает много осадков, и в орошаемых почвах. Нитраты и нитриты могут также восстанавливаться бактериями и в виде газообразных продуктов теряться из почвы.

В почве возможна и «косвенная» денитрификация, когда потери азота происходят в результате некоторых химических реакций. Так, в кислой среде HNО2, реагируя с аминокислотами или аммонием, образует молекулярный азот. Эти процессы могут быть представлены следующими схемами:

RCHNH2COOH + HN02 → RCH2COOH 4+Н2О+N2↑

NH4 + N02 →2H20 4- N2↑

В кислой среде идет также саморазложение нитритов с образованием газообразных продуктов:

2HN02 →NO↑ + NO2 ↑ +Н20

3HN02 → 2N0 ↑ + HN03 + Н20

Возможно восстановление нитритов в почве при взаимодействии с органическими веществами, содержащими фенольные группы (в присутствии Fe+ или Мn2+), с образованием NО и N2О.

При разнообразных микробиологических процессах в почве образуются оксимы (соединения с группой — N—ОН). Они реагируют с нитритами, причем образуется N2О:

R2C = N — ОН + HNО2 →R2C = О + N2О + Н2О

Таким образом, при восстановительных процессах, а также при некоторых химических реакциях из нитратов и нитритов могут образоваться N2, N2О, NО и NО2. Некоторые из этих соединений, например NO2, весьма реактивны. Поэтому газообразные потери азота из почвы происходят преимущественно в форме N2 и N2О. В почвенном воздухе всегда присутствует N2О.

Из-за отмеченных потерь, а также частичного биологического закрепления азотные удобрения используются сельскохозяйственными растениями не более чем на 40—50%.

Как показали опыты Е. В. Руделева, Д. А. Филимонова, на плодородных почвах растения потребляют больше азота минеральных удобрений, чем па бедных. Биологически закрепляется азота также больше в высокоплодородных почвах, а газообразные потери здесь резко сокращаются

Азот, закрепленный в микробных клетках, после их отмирания минерализуется и используется растениями. В общем, убыль азота из почвы может быть весьма значительной. Так, в Англии на Ротамстедской опытной станции при ежегодном унавоживании (около 36 т/га) 1 га пахотной почвы в результате вымывания и денитрификации терял в условиях влажного климата в среднем около 60% внесенного с навозом азота.

Денитрификация, вызываемая микроорганизмами обусловливает большие потери азота, чем вымывание его соединений из почвы. Потери от этого процесса возрастают по мере увеличения в почве количества нитратов. Повышенная влажность почвы усиливает восстановительные процессы и потери азота из почвы. О том, что денитрификация связана с наличием в почве солей азотной кислоты четкое представление дает один из опытов П. М. Смирнова, в котором в пойменную почву вносили аммонийную (NH4)2SО4 и нитратную Ca(NО3)2 соли. Одну партию почвы сохраняли в аэробных условиях, периодически аэрируя ее и поддерживая нормальный уровень О2 (19—22%). Другая партия почвы находилась в анаэробных условиях, что достигалось заполнением ее газовой фазы гелием. В аэрируемую почву вносили 27 мг азотных солей на 1 кг почвы, в анаэробно хранящуюся — 40 мг.

На состав выделяющихся газов влияет форма азотного удобрения. Так, при внесении в почву (NH4)2SО4 и нитрификации этой соли выделяется больше N2О и меньше N2, чем при восстановлении Ca(NО3)2. В анаэробных условиях часть NО2 редуцируется до N2.

Для борьбы с потерями азота из удобрений может быть применен ряд приемов. Так, установлено, что потери существенно уменьшаются при использовании гранулированных и медленно растворяющихся удобрений. К ним относятся уреаформ (конденсат мочевины с формальдегидом), гранулированная мочевина с оболочкой из элементарной серы, уреа-зет (конденсат мочевины с ацетальдегидом), изобутилен-диуреа и т. д.

Гранулированные удобрения имеют меньший контакт с почвенной микрофлорой, деятельность которой подавляется дополнительно вносимыми с ними веществами (формальдегид, сера и т. д.). Но эти удобрения используются ограниченно из-за их высокой цены и замедленного действия на растения.

Хороших результатов можно достигнуть приближенным к посеву или дробным внесением удобрений и т. д.

Большое внимание сейчас уделяют применению веществ, задерживающих процесс нитрификации. Их использование особенно целесообразно при внесении в почву больших доз удобрений (аммонийных и мочевины). К подобным соединениям относятся ряд цианидов, нитро и галла-анилиды, производные фенолов, хинолинов, хлорпиридины, пиримидины и другие вещества. Применение небольших доз этих соединений селективно подавляет нитрификацию, а другие микробиологические процессы в почве не угнетает.

Ингибирующим действием на нитрификацию обладают препараты N-serve и AM. Всесторонняя проверка этих препаратов показала отсутствие у них фитонцидного и токсикологического эффекта. Активная часть соединения N-serve представляет собой 2-хлор-6 трихлорметил пиридин, AM 2-амино-4-хлор-6-метил - пиримидин.

Под общим названием N-serve в США выпускается несколько марок препаратов, предназначенных для применения с разными азотными удобрениями. Они близки по составу, их можно вносить в почву в смеси с твердыми удобрениями. Некоторые из ингибиторов применяют в виде растворов или эмульсий. В урожае зерна эти препараты не обнаруживаются, а в тканях растений отмечено небольшое количество 6-хлор-пиколиновой кислоты, которая постепенно гидролизуется.

Большинство сапрофитных микроорганизмов не угнетаются применяемыми дозами этих препаратов: N-serve— до 2,24 кг/га, AM — 0,3 —0,7% от азота, внесенного с удобрениями. Концентрация N-serve выше 0,15 кг/га тормозит первую фазу нитрификации, для второй фазы нужна дозировка в 5 раз более высокая. Нитрификаторы более чувствительны к отмеченным препаратам, чем сапрофитные микроорганизмы.

При использовании нормальных дозировок депрессия микробиологических процессов может быть лишь в отдельных зонах, куда попадают значительные количества препарата из-за их неравномерного распределения в почве.

Продолжительность действия препаратов зависит от почвенно-климатических условий и влажности почвы. В большинстве случаев их действие продолжается 6—8 недель, а при осеннем внесении значительно дольше. Опытные данные показывают, что азотные удобрения можно вносить совместно с ингибиторами нитрификации осенью, не опасаясь значительных потерь азота.

В 1975—1978 гг. в различных опытных учреждениях нашей страны было проведено широкое испытание препарата N-serve под руководством кафедры агрохимии ТСХА. Итоги этой работы дали положительные результаты. Урожаи разных сельскохозяйственных культур возрастали в большинстве случаев на 10—25%.

В США от применения ингибиторов нитрификации урожаи озимой пшеницы увеличивались на 16—20%, кукурузы — на 7,2—33, хлопчатника — на 10—12%. В Индии па 6—14% возрастал урожай риса.

Азотные соединения обычно в форме нитратов частично вымываются в грунтовые воды, которые используются для водоснабжения. В СНГ установлена предельно допустимая концентрация нитратов (ПДК) в питьевой воде, равная 10 мг/л. В странах Западной Европы и США эта норма значительно выше (45—50 мг/л).

Следует отметить опасность накопления нитратов в пище и кормах. В зерне нитраты, как правило, не аккумулируются, за исключением зерна ячменя, в котором, по некоторым данным, они накапливаются. В овощах и фруктах, как и в зеленых кормах, концентрация нитратов иногда бывает весьма высокой. Пища и корма с высоким содержанием нитратов могут вызвать отравления. Для пищевой продукции Министерством здравоохранения СНГ утверждены временные нормы содержания в ней нитратов. С учетом указанного требует решения вопрос о нормировании доз азотных удобрений для разной продукции сельского хозяйства.

You are here