МАКРОЭЛЕМЕНТЫ АЗОТ

Азот - важнейший питательный элемент всех растений. В среднем его в растении содержится 1-3% от массы сухого вещества. Он входит в состав таких важных органических веществ, как белки, нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, хлорофилл, алкалоиды, фосфатады и др.

Нуклеиновые кислоты играют важнейшую роль в обмене веществ в растительных организмах. Они являются также носителями наследственных свойств живых организмов. Поэтому трудно переоценить роль азота в этих жизненно важных процессах у растений. Кроме того, азот является важнейшей составной частью хлорофилла, без которого не может протекать процесс фотосинтеза, а следовательно, не могут образовываться важней-шие для питания человека и животных органические вещества. Нельзя не отметить также большое значение азота как элемента, входящего в состав ферментов - катализаторов жизненных процессов в растительных организмах.

Азот входит в органические соединения, в том числе в важнейшие из них - аминокислоты белков. Азот, фосфор и сера вместе с углеродом, кислородом и водородом являются строительным материалом для образования органических веществ и, в конечном счете, живой ткани.

Содержание азота в растениях существенно изменяется в зависимости от вида растений, их возраста, почвенно-климатических условий выращивания культуры, приемов агротехники и т.д. Например, в семенах зерновых культур азота содержится 2-3%, бобовых - 4-5%. Наибольшее содержание азота отмечается в вегетативных органах молодых растений. По мере их старения азотистые вещества передвигаются во вновь появившиеся листья и побеги. При этом в первой половине вегетации, когда формируется надземная масса, в вегетативных органах синтезируются азотсодержащие органические вещества, идет процесс новообразования белков и рост растений. В дальнейшем у пшеницы, например, после цветения происходят более интенсивный гидролиз азотсодержащих органических веществ в вегетативных частях растений и передвижение продуктов гидролиза в репродуктивные органы, где они расходуются на образование белков зерна.

Между содержанием азота в определенные фазы роста в вегетативных частях растений и в урожае установлена коррелятивная зависимость. Это позволяет прогнозировать количество и качество урожая по химическому составу вегетативных органов. Особенно высокая положительная связь между содержанием азота в листьях в конце цветения и урожаем растений установлена на почвах, недостаточно обеспеченных азотом. Так, коэффициент корреляции для пшеницы и ячменя составлял 0,80-0,94, кукурузы - 0,81-0,86, гороха - 0,87, картофеля - 0,79 и т.д. Оказалось возможным установить условную степень потребности злаковых культур (пшеницы, ячменя) в азоте по абсолютному содержанию элемента в листьях (табл. 4.4).

4.4. Условная степень потребности злаковых культур (пшеницы, ячменя) в азоте по абсолютному содержанию элемента в листьях

При достаточной обеспеченности растений пшеницы, кукурузы, ячменя влагой и фосфором коэффициент пересчета содержания азота в листьях в конце цветения и содержания азота в зернах составляет для различных сортов пшеницы, а также для кукурузы и гороха 0,90-0,96. Высокая зависимость между содержанием азота в листьях и зерне при азотном голодании растений позволяла своевременно провести позднюю азотную подкормку.

Доступные растениям азотистые соединения образуются главным образом из органического вещества почвы в результате его разложения. Количество органического вещества зависит от вида угодья.

На склонах потери гумуса в почве значительно увеличиваются. Это объясняется не только интенсивной минерализацией органических веществ при сельскохозяйственном использовании пашни, но и наличием плоскостной водной эрозии. Например, на склонах через 35 лет после распашки залежи чернозем теряет 3% гумуса и больше. Главный источник азота в почве - перегной (гумус), но он непосредственно не используется на питание растений, так как азот в нем находится в недоступной форме.

В гумусе содержится около 5% азота. Этот азот является основным источником питания растений: в минеральной форме азота содержится небольшое количество - 1-3%. Верхние слои почвы более обогащены гумусом, и основная часть азота при минерализации перегноя именно из этих слоев используется на питание растений. О количестве органического азота в пахотном слое различных почв можно судить по данным табл. 4.5.

4.5. Содержание органического азота в пахотном слое (по Тюрину)

Д.С.

качество гумуса и т.д. По этим показателям в определенной степени можно характеризовать плодородие почвы.

Приведем некоторые из этих показателей, которые способны существенно дополнить агрохимическую характеристику почвы (табл. 4.6.).

4.6. Некоторые показатели системы признаков, характеризующих гумусное

состояние почв

Круговорот азота в биогеоценозе представлен на рис 4.4.

Запасы азота в почве пополняются в основном в результате азотфиксирующей способности свободноживущих и клубеньковых микроорганизмов и поступления его с атмосферными осадками.

Наиболее значительное количество азота накапливается в почве благодаря жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых растений. На 1 га ежегодное накопление азота может достигать при возделывании клевера 150-160 кг, люпина - 160-170, люцерны - 250- 300, сои - 100, вики, гороха, фасоли - 70-80 кг. Размеры фиксации зависят от вида бобового растения, урожая, реакции почвы и других факторов.

Для повышения продуктивности симбиотической азотфиксации используют нитрагин - препарат, содержащий специально отселекци- онированные высокоактивные штаммы клубеньковых бактерий. Необходимость инокуляции бобовых растений нитрагином объясняется следующими причинами. Бобовые культуры, впервые вводимые в той или иной зоне, вследствие узкой специфичности бактерий к расте- нию-хозяину оказываются лишенными своего симбионта и не могут быть накопителями азота из атмосферы, а полностью переходят на питание азотом за счет почвы и удобрений. В таких случаях нитра- гинизация - обязательный прием агротехники бобовых культур. Кроме того, длительное пребывание в почве клубеньковых бактерий без растения-хозяина, а также в неблагоприятных условиях среды (повышенная кислотность почвы, засуха или затопление, недостаток элементов минерального питания, источников энергетического материала и т.д.) приводит к снижению их азотфиксирующей активности.

Целесообразность применения нитрагина вызвана еще и тем, что наряду с активными штаммами Rhizobium в почвах довольно широко распространены неактивные и малоактивные клубеньковые бактерии, которые не могут обеспечить бобовые растения биологическим азотом. Неактивные и малоактивные штаммы клубеньковых бактерий составляют 1/3 и больше. Поэтому применение нитрагина, содержащего высокие титры активных селекционных штаммов клубеньковых бактерий, - один из главных приемов повышения не только урожайности бобовых культур, но и уровня накопления общего и биологически связанного азота в растениях и почве.

Препарат клубеньковых бактерий производят главным образом на стерильном торфе, в 1 г которого содержится в среднем 3-4 млрд бактерий. На почвах, где долгое время возделываются основные бобовые культуры, применение нитрагина дает следующие прибавки урожая: зерна сои - 2-4 ц/га, гороха и люпина - 1-2, зеленой массы бобовых культур - 80-100, сена клевера и люцерны - 50 ц/га. Использование этого приема существенно увеличивает и содержание белка в урожае бобовых культур.

Для создания оптимальных условий симбиоза клубеньковых бактерий часто необходимо вносить под бобовые культуры небольшие «стартовые» (20-30 кг/га) дозы азота. Минеральный азот в повышенных дозах (90-120 кг/га) играет отрицательную роль. Эффективность нитрагинизации возрастает при достаточном содержании в почве фосфора, калия, а также микроэлементов - молибдена, бора, кобальта, железа. Необходимы также нейтральная или слабокислая реакция почвенного раствора и оптимальная влажность почвы, в которую посеяны инокулированные семена бобовых растений. Поэтому применение фосфорно-калийных удобрений, известкование кислых почв, применение молибденовых, борных и кобальтовых удобрений создают оптимальные условия для бобовых растений и для их симбиоза с клубеньковыми бактериями.

Фиксация азота несимбиотическими (свободноживущими) микроорганизмами зависит от многих причин. Факторы, ограничивающие жизнедеятельность, а следовательно, и активность этих микробов, следующие: 1) недостаток в почве усвояемых углеводов; 2) отсутствие достаточного количества других питательных веществ (в частности, фосфора и калия); 3) кислая реакция почвы; 4) низкая температура; 5) недостаток или избыток влаги в почве; 6) условия аэрации (Clostridium pacterianum, например, живет в анаэробных условиях, Azotobacter chroococcum и другие - в аэробных). Перечисленные микроорганизмы способны в среднем накапливать в год 5- 15 кг связанного азота на 1 га. Величина азотфиксации свободноживущими бактериями для различных почвенно-климатических условий составляет от 7,5 до 42,0 кг азота на 1 га за год. Размеры несимбиотической азотфиксации под рисом достигают 60-70 кг на 1 га за год, причем в затопляемых почвах под растениями риса фиксируется до 57-63 кг азота на 1 га, в незатопляемых - 3-7 кг азота на 1 га за сезон, а без растений в затопляемых почвах азотфиксация составила 23-28 кг/га.

Фиксированный микроорганизмами в ризосфере небобовых растений азот атмосферы участвует в их питании, как и азот, фиксированный клубеньковыми бактериями. При внесении невысоких доз азота и инокуляции почвенными микроорганизмами усвоение небобовыми растениями фиксированного микроорганизмами азота составляло 7-16% от общего выноса этого элемента растениями. При внесении высоких доз азота фиксация атмосферного азота под небобовыми культурами и усвоение его растениями снижаются (Шабаев, 1985). Связывать атмосферный азот могут также грибы, водоросли, находящиеся в симбиозе с некоторыми высшими растениями.

Запас азота в почве в некоторой степени пополняется азотом атмосферных осадков. Обычно он поступает в виде аммиака и отчасти нитратов. Эти соединения азота образуются в атмосфере и под действием грозовых разрядов. По данным большинства определений, с осадками на каждый гектар ежегодно поступает от 2 до 11 кг азота.

Перечисленные источники пополнения природных запасов азота представляют несомненный практический интерес, но они доставляют лишь часть азота, который выносится с урожаями сельскохозяйственных культур. Поэтому необходимо принимать меры для оптимального увеличения плодородия почвы и, прежде всего, пополнения в ней запасов азота. Наиболее ощутимый и реальный путь - внесение органических и минеральных удобрений.

Недостаток азота в питании растений, как правило существенно проявляющийся визуально (цв. ил. 1, 2, 29), часто является фактором, лимитирующим рост урожая. И как не вспомнить слова Д.Н. Прянишникова (1945): «Усвояемый азот почвы, если не принимать особых мер, увеличивающих его содержание, в настоящее время является на земле главным ограничивающим фактором жизни».

В природе существуют многочисленные пути потерь азота. Основные из них следующие: 1) иммобилизация, т.е. потребление азота почвенной микрофлорой; 2) выщелачивание (прежде всего нитратных форм азота) в грунтовые воды; 3) улетучивание аммиака, окислов азота и молекулярного азота в воздух; 4) фиксация аммония в почве, или необменное его поглощение.

Иммобилизация азота почвы. Особенно большое поглощение азота микроорганизмами почвы происходит при внесении органических веществ с широким соотношением углерода и азота. Это происходит потому, что вносимые в почву органические вещества, например солома и другие растительные остатки, содержат немного азота - 0,5-1,0% (или 1,5-2,0%, когда запахивают растительные остатки с большим количеством азотсодержащих веществ, как, например, солому зернобобовых культур). Однако даже в лучшем случае наблюдается весьма широкое соотношение между углеродом и азотом (20 : 1). В то же время в плазме микробов содержится значительно больше азота, чем в разлагающихся ими органических веществах. В среднем в плазме микробов содержится 3-12% азота (соотношение азота к углероду в среднем 1:10). Такое же соотношение между азотом и углеродом и в стойкой фракции гумуса.

Поэтому при внесении в почву органических веществ (чаще растительных остатков после уборки урожая или соломистого слабо- разложившегося навоза) наблюдается бурное развитие почвенной микрофлоры. Это приводит к тому, что для построения плазмы микроорганизмов при достаточном энергетическом материале используется азот не только органических веществ, внесенных в почву, но и минеральный азот почвы. А это приводит к ухудшению азотного питания культурных растений.

Особенно часто подобные процессы наблюдаются при запашке соломы после уборки зерновых культур и повторного их посева. Повторно посеянная озимь, как правило, испытывает резкое азотное голодание. Для снижения иммобилизации азота микрофлорой почвы к растительным остаткам, богатым целлюлозой, например к соломе, рекомендуется добавлять 1-2% минерального азота от массы соломы. Но процесс иммобилизации азота почвы микроорганизмами не всегда является отрицательным фактором. На легких почвах, особенно в зоне достаточного увлажнения, в результате иммобилизации минеральный азот закрепляется в верхних ее слоях. В дальнейшем при разложении плазмы микроорганизмов часть азота закрепляется в процессе гумификации органического вещества, а часть превращается в минеральный аммонийный азот, который адсорбируется почвенными коллоидами. Часть же аммиачного азота подвергается нитрификации и превращается в азот селитры. Аммонийный и нитратный азот используется растениями как источник азотного питания. Отрицательное действие процесса иммобилизации на культурные растения чаще наблюдается при запашке стерни или растительных остатков накануне сева последующей культуры и без внесения минеральных азотных удобрений.

Вымывание азота. Вымывание нитратов осадками и дренажными водами происходит потому, что нитраты обычно не входят в состав малорастворимых соединений и не поглощаются отрицательно заряженными коллоидами почвы. Наибольшие потери азота от вымывания наблюдаются на почвах легкого гранулометрического состава с низким содержанием органического вещества при высоком увлажнении или орошении. В последнем случае не следует допускать смыкания поливных вод с грунтовыми.

Резко снижаются, а чаще всего отсутствуют потери нитратов под культурами сплошного сева. В этом случае образовавшийся нитратный азот благодаря нитрификации активно используется на питание растений. В паровом поле в увлажненных районах отмечаются наибольшие потери нитратов, так как они не адсорбируются коллоидами почвы и передвигаются вместе с почвенной влагой; эти потери азота можно регулировать и резко снижать. При правильном применении удобрений с учетом почвенно-климатических условий потерь нитратов вообще можно избежать. Например, на легких почвах, особенно при повышенном увлажнении, необходимо дробно вносить азотные удобрения во время вегетации, в фазы наибольшего потребления азота; при орошении снижения потерь нитратного азота можно добиться своевременным внесением удобрений и регулированием поливного режима. В некоторой степени потери азота при вымывании можно снижать подбором соответствующих форм минеральных удобрений. Например, аммиачный азот поглощается коллоидами почвы и в меньшей мере мигрирует по профилю. Однако поглощенный и водорастворимый аммоний при благоприятных условиях в результате процесса нитрификации легко превращается в нитраты.

Потери нитратов от вымывания могут быть существенными на песчаных почвах в районах с исключительно влажным климатом. В полузасушливых и засушливых условиях даже в хорошо проницаемых песчаных почвах нитраты опускаются обычно не ниже 40-

50. см, т. е. потери азота в данных условиях маловероятны.

Газообразные потери азота из почвы. В опытах с изотопом 15Ы неучтенные потери азота колебались от 10 до 35% от внесенной дозы в зависимости от формы азота, влажности почвы, температуры, pH и окислительно-восстановительного потенциала. Потери азота из-за улетучивания в среднем составляют 15% от внесенного, иногда они достигают 30%. Наибольшее количество азота из-за улетучивания теряется в виде аммиака (1МНз), молекулярного азота (N2) и закиси азота (N20).

Раньше потери азота в газообразном виде относили прежде всего за счет процесса денитрификации. Однако азот в газообразном виде может теряться различными путями, а следовательно, и причины таких потерь могут быть различными. Часть азота почвы и внесенных удобрений может теряться с поверхности в форме аммиака (1МНз). При внесении аммонийных солей в карбонатные почвы или мочевины поверхностно, без заделки, наблюдаются потери аммиачного азота. Одной из причин потерь ЫН3 является его щелочная реакция. Кроме того, чем выше карбонатность почвы, тем больше потери аммиачного азота. Это объясняется взаимодействием аммиачных солей с карбонатами почвы и образованием весьма нестойкого соединения - карбоната аммония. Потери эти заметно возрастают на легких почвах и при высокой температуре.

В практике особенно значительные потери аммиачного азота наблюдаются при внесении водного и безводного аммиака. Одной из важнейших мер снижения потерь этой формы азота является глубокая заделка внесенных аммиачных и аммиачно-нитратных удобрений.

Потери аммиачного азота на карбонатных и щелочных почвах колеблются в пределах 10^0%. Чаще они бывают большими при использовании жидких азотных удобрений. Значительное улетучивание аммиака наблюдается также и при поверхностном внесении мочевины, особенно на карбонатных почвах. Потери аммиачной формы азота при внесении мочевины объясняются тем, что мочевина при аммонификации переходит в углекислый аммоний, соединение весьма нестойкое, особенно на карбонатных почвах. Кроме того, образовавшийся из мочевины аммоний вызывает местное под- щелачивание почвы, так как на карбонатных и щелочных почвах отсутствуют анионы кислот, способные нейтрализовать образующийся аммоний. Обработка почвы, даже боронование, значительно снижает потери аммиачного азота при поверхностном внесении мочевины.

Значительная часть газообразного азота теряется из почвы вследствие процесса денитрификации. Этот процесс восстановления нитратного азота почвы до свободного газообразного азота (N2) происходит в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов - денитрификаторов (Вам. с1етйг\Асап8, Ваamp;. 8(Шгегу, Вас!. Аиогезсет и др.). Процесс денитрификации идет через ряд промежуточных этапов:

НЖ)3 -gt; НШ2 -gt; (НЖ))2 -gt; N20 -gt; N2.

закись молекуляр-

нитрат              нитрит гипонитрит азота              ный ^

Молекулярный азот и закись азота являются основными газообразными продуктами биологической денитрификации, за счет улетучивания которых происходят потери азота из почв. Этот процесс возникает и развивается без доступа воздуха и при щелочной реакции почвы.

Потери азота при денитрификации объясняются тем, что денитрификаторы являются анаэробной микрофлорой, т.е. развиваются активно при отсутствии кислорода воздуха. Поэтому для дыхания они используют кислород нитратов, восстанавливая азот до свободной молекулярной формы (N2). Восстановление нитратов происходит под действием ферментов нитратредуктазы и нитрит- редуктазы и выражается уравнением

С6Н1206 + 4Ы03 = 6С02 + 6Н20 + 2Ы2.

Наиболее благоприятными условиями для денитрификации, а следовательно, и потерь молекулярного азота, являются: 1) анаэробная среда; 2) щелочная реакция почвы; 3) избыточное количество в почве органического вещества, богатого клетчаткой, глюкозой и другим энергетическим материалом; 4) высокое увлажнение почвы.

Оптимальная температура для денитрификации 40-75°С, так как активные расы денитрификаторов - термофильные бактерии. Поэтому в холодные периоды, несмотря на высокую влажность и анаэробные условия, процессы денитрификации протекают слабо или вовсе не идут, что резко снижает потери азота. Оптимальный pH для денитрификации 7-7,5. В результате денитрификации при содержании в 1 г почвы 1 МЛН Вам. 8Ш12вГу из 1 кг ее может выделиться в сутки 0,5 мг азота.

Процесс денитрификации весьма распространенный и протекает почти во всех почвах, так как почв с полным аэробиозисом практически нет. Даже при самых оптимальных условиях аэрации и влажности на хорошо оструктуренных почвах может наблюдаться денитрификация. Это объясняется тем, что внутри плотных почвенных агрегатов и на структурных почвах могут быть анаэробные условия. Кроме того, активный процесс нитрификации в аэробных условиях приводит к поглощению кислорода воздуха и выделению СО2, вследствие чего создаются местные анаэробные условия, приводящие к развитию денитрификации.

Применение комплекса приемов агротехники, направленных на содержание почвы в хорошем структурном состоянии, поддержание в ней оптимального водного и воздушного режимов, а также правильное чередование культур в севообороте способствуют значительному снижению потерь азота из-за денитрификации.

Газообразные потери азота из почвы и удобрений бывают различного состава (N02, N0, N20, NHз); они увеличиваются при повышении влажности более 50% полной влагоемкости (табл. 4.7).

4.7. Влияние увлажнения почвы на величину газообразных потерь азота (вегетационный опыт, почва дерново-подзолистая супесчаная, внесено азота

312 мг/сосуд)

Примечание. Вегетационные сосуды емкостью 3 л, норма азота из расчета 0,1 г/кг почвы.

Кроме денитрификации существуют и другие пути потерь газообразного азота, хотя они изучены в еще меньшей мере. Главным образом эти потери связывают с распадом азотистой кислоты в почве или взаимодействием с другими химическими соединениями почвы. Наиболее существенными потери азота бывают при распаде азотистой кислоты с образованием азотной кислоты и окиси азота. При подкислении почвы до pH ниже 6 этот процесс усиливается. На воздухе N0 окисляется до N02. Пути потерь газообразного азота изучены пока слабо, не разработаны эффективные способы их предотвращения, что позволило бы повысить коэффициент использования азотных удобрений.