ПРЕВРАЩЕНИЕ МОЧЕВИНЫ В ПОЧВЕ[1]

За последнее время в иностранной, главным образом во французской, литературе появилось сравнительно много работ, посвященных изучению мочевины.

Укажем на работы Ch. Brioux [1], который приравнивает мочевину по ее действию на урожай к селитре и сернокислому аммонию, и на работы, опубликованные в годовых отчетах Французского агрономического исследовательского института, где приводятся данные о хорошем действии мочевины по различным районам Франции.

Наряду с этими данными, характеризующими мочевину как хорошее азотное удобрение, встречаются указания и на то, что мочевина действует гораздо хуже, чем другие азотные удобрения. Так, в опытах Rousseau [2] действие мочевины составляло 75% от действия селитры (Nx[2] — 91%, Na — 86%). На опытной станции в Авиньоне (Bordas et Mathieu [3]) действие разных форм азота на картофель выражалось такими цифрами (эффект Nc = 100): Na — 96, Nx — 84, NM — 73, без азота — 67. Слабое действие мочевины последние авторы объясняют недостаточным разложением мочевины в почве.

Как известно, мочевина под влиянием различных бактерий, выделяющих фермент уреазу, превращается в (NH4)2C03. Авторы полагают, что почва опытов была недостаточно богата бактериями, гидролизирующими CO(NH2)2, мочевина слабо разлагалась, в результате чего наблюдалось ее слабое действие. В пользу такого предположения говорят опыты тех же авторов с совместным внесением (картофель, баклажаны) мочевины и небольших количеств навоза или фермента уреазы, полученного из сои. Лабораторные исследования авторов показали, что гидролиз CO(NH2)2 в почве значительно ускоряется в присутствии уреазы.

В СССР полевые и вегетационные опыты с мочевиной, проведенные НИУ на различных почвенных разностях Союза [4],

показывают, что по действию на урожай мочевину можно поставить в один ряд со стандартными формами азота — NaN03 и (NH4)2S04.

Методика наших опытов была такова: к 150 г почвы прибавлялась в определенных дозах CO(NH2b; почва увлажнялась до 60%' от полной влагоемкости и ставилась в термостат при 25—27° С; через определенные промежутки времени почва анализировалась на N03, NH4 и CO(NH2)2, в некоторых случаях еще определялась pH. CO(NH2)2 определялась разложением ее уреазой с последующим титрованием образовавшегося аммиака 0,02 н. H2SO4. Этот метод очень прост и дает вполне надежные результаты. Уреаза приготовляется из размолотых семян сои. К 5 г размолотых семян сои прибавляют 100 см3 30%-ного алкоголя, встряхивают 20 минут и фильтруют. Прозрачный фильтрат обладает сравнительно хорошей активностью. 10 см3 фильтрата разлагают 10 мг CO(NH2)2 в течение 10минут при 18° С. Для разложения того же количества мочевины потребуется гораздо меньше фермента, если удлинить время его действия. В проведении опытов принимали участие химик А. Г. Кирьянова и аналитики Р. М. Старосельская и О. С. Постникова.

Влияние доз фермента уреазы на гидролиз мочевины. Время действия фермента 10 мин.; t° 18°С; CO(NH2)2 = 10 мг.

Уреаза в см3

0. 5              1,0              2,0              3,0              4,0              5,0              6,0              7,0              8,0              9,0              10,0

Разложилось СО (NH2)2 в % от внесенной дозы

9,4              16,6              27,2              39,0 46,0              61,0              70,5              81,5              89,0              95,0              99,9

Влияние времени действия фермента на гидролиз мочевины.

CO(NH2)2=10 мг.

Разложилось CO(NH2)2 в процентах от взятой дозы:

Время в мин.

10              20              30              40              *50              60              70              80              90              100              120              20ч

1. см3 фермента

11,0 20,2 25,0 30,7 33,5 44,2 44,8 51,0 51,0 55,0 70,5 96,0

2. см3 фермента

21,5 33,0 38,0 55,0 55,5 63,0 65,8 71,8 76,0 86,0 — 99,0

2 см3 раствора фермента вполне достаточно для разложения 10 мг CO(NH2)2 в продолжение 20 часов.

В тех случаях, когда вытяжка почему-либо окрашена и титрование невозможно, мочевина определяется следующим образом: раствор, содержащий мочевину, переносится в кругло--

донную кьельдалевскую колбу на 100—150 см3; колба закрывается каучуковой пробкой с двумя отверстиями; в одно вставляется трубка, нижний конец которой погружается в раствор, а верхний над пробкой расширяется в воронку. В другое отверстие вставляется согнутая под углом трубка, нижний конец которой находится немного ниже пробки, а верхняя согнутая часть соединяется с холодильником. Этот последний соединен с приемником, погруженным в титрованный раствор H2SO4. Приемник соединяется с водоструйным насосом, колбу устанавливают на водяной бане t° 45—55°С. В раствор прибавляют 2—5 см3 фермента в зависимости от количества мочевины, фосфатный буфер (К2НРО4), 2 см3 насыщенного раствора Na2C03 и пропускают через аппарат ток воздуха. Через 30—40 минут отгон NH3 заканчивается (после контроля на полноту отгона NH3).

Так как с повышением температуры активность уреазы сильно возрастает, то 2 см3 раствора уреазы достаточно для разложения 10 мг СО (ИШЬ в течение 20 минут.

Влияние температуры на скорость гидролиза мочевины уреа- зой. Количество фермента — 2 см3; количество CO(NH2)2 — 20 мг N.

Разложилось CO(NH2b в мг:

Время

действия

фермента              9

в мнн.              1Э              zu              "

3. 0,69              0,84              1,34              1,34              2,18              2,56              3,60              4,56              6,30              6,64

5              1,03              1,16              1,81              2,30              2,86              4,44              4,12              5,56              7,00              10,70

10              1,50              1,94              2,26              2,94              5,04              6,16              7,80              8,70              13,10              13,90

20              2,40              3,60              4,00              5,60              8,68              9,48              13,50              15,40              16,8              —

Ввиду того что в почве всегда содержатся различные соли,, могущие оказать известное влияние на работу фермента, мы изучали влияние некоторых солей на активность уреазы.

Перейдем к рассмотрению результатов исследований по превращению мочевины в почве.

Опыт 1. Для опыта было взято 7 почвенных разностей: 2 вида подзолистого суглинка Долгопрудного опытного поля НИУ (ДОП), карбонатная почва из Закавказья (совхоз «Аляты»), подзол Псковской опытной станции, чернозем из Краснодара, песчаная почва Новозыбковской опытной станции и деградированный чернозем Носовской опытной станции.

С этими почвами были заложены компосты по схеме: 1) 0;

2. 330 мг N CO(NH2)2 на 1 кг почвы.

Целью опыта было определение уреалитической способности названных почв, поэтому и доза мочевины бралась очень высокая. Через 48 часов компосты анализировались.

Содержание N в мг/кг почвы (NH4 в солевой вытяжке)

личной уреалитической способностью.

В литературе тоже встречаются указания, что в щелочных почвах гидролиз мочевины идет слабее. Об этом говорит, например, Gibson [6], который нашел, что быстрее всего мочевина разлагается в пастбищных и лесных почвах с pH 5,4—6,1 и слабее в щелочных и очень кислых торфяных почвах. Полевые опыты Bordas et Mathieu, где было констатировано слабое действие мочевины, также были проведены на известковых щелочных почвах.

По Waksmann [7], уробактерии лучше всего развиваются в среде со щелочностью 2—3 г (NH^CCb. По С. И. Кузнецову, оптимум pH для Urobaccilus Ducloxii 7,4—7,7, для Ur. Macdoxii 8,2. Поэтому не приходится думать, что причиной замедленного разложения мочевины на щелочных почвах является их щелочная реакция. Возможно, что здесь скорее сказывается влияние солей кальция, которые в высоких концентрациях ослабляют активность уреазы. Что же касается песчаной почвы Новозыбковской станции, то пониженная ее активность,

вероятно, объясняется относительно бедным бактериальным населением.

Вообще же разложение мочевины в почве протекает очень энергично; за 2 дня некоторые почвы (ДОП и псковская) разложили около 200 мг мочевины. Это и понятно, так как уробактерии населяют почву в очень больших количествах. По Waksmann, уробактерии составляют примерно 1—2%* от всей почвенной микрофлоры. Видов их очень много. Большинство из них относится к аэробной группе. По Lohnis, среднее число уробактерий в 1 г почвы — 50 тыс., а по Millard — значительно больше — 27 500 тыс.

В нашем опыте, когда разложение мочевины происходило очень интенсивно, наблюдалось частичное исчезновение нитратов. Везде было заметно повышение pH, что находится в прямой зависимости от образования аммиака.

Опыт 2. Почвы: подзол ДОП, чернозем Харьковской станции и песчаная почва Новозыбковской станции. Почва компостировалась с мочевиной 24 часа. Дозы CO(NH2b— 33 и 330 мг N из расчета на 1 кг почвы.

Содержание в мг/кг почвы

Из таблицы видно, что доза мочевины в 33 мг N полностью разлагается за один день в почвах Харьковской станции и ДОП. В песчаной почве Новозыбковской станции та же доза не успевает полностью разложиться за один день, примерно 30—25% остается в почве в неразложившемся состоянии. При повышении дозы до 330 мг N за то же время почва разлагает значительно больше мочевины. В подзоле ДОП и харьковском черноземе разложились 130—140 мг N, а в песчаной почве в

2. раза меньше.

Надо полагать, что мочевина, внесенная в почву в обычных полевых дозах, за один день целиком превращается в карбонат аммония. Поэтому мочевину отчасти можно рассматривать как (КтН4)2С03.

* В мг N на 1 кг почвы.

Опыт 3. В задачу опыта входило определение скорости нитрификации мочевины. Для опыта было взято 6 почв: подзол ДОП, харьковский чернозем, песчаная почва Новозыбков- ской станции, карбонатная закавказская почва, деградированный чернозем Носовской станции и краснодарский чернозем. Были заложены компосты с мочевиной (150 мг из расчета на 1 кг почвы). Для сравнения были также заложены компосты NH4C1 и (NH4)2S04.

Для выяснения влияния подкисления почвы на нитрификацию мочевины были заложены компосты с мочевиной с прибавкой H2SO4 и НС1 в количествах, эквивалентных содержанию S04 и С1 в (NH4)2S04 и NH4C1. Компосты вскрывались через 10, 20 и 40 дней.

Эти данные показывают, что мочевина, как правило, нитрифицируется гораздо быстрее, чем другие аммиачные удобрения (табл.) 1.

К концу опыта, т. е. через 40 дней, когда в некоторых почвах (харьковский чернозем) N мочевины полностью перешел в нитрат, нитрификация NH4C1 была едва заметна, a (NH4)2S04 нитрифицировался всего лишь на 25%‘.

Внесение в почву вместе с мочевиной НС1 и H2SO4 сказалось весьма отрицательно на скорости нитрификации мочевины. Особенно резко угнетает нитрификацию НС1. Так как и NH4C1 нитрифицируется значительно медленнее, чем (NH4)2S04, то надо полагать, что здесь сказывается специфическое влияние Cl-иона. На кислых почвах ДОП и Носовской станции вредное влияние С1 и S04 сказывается сильнее, чем на харьковском черноземе и щелочной закавказской почве. Однако, хотя внесение НС1 и H2S04 почти не изменило pH харьковской и закавказской почвы, влияние С1 и S04 было все же достаточно сильным.

Интересно, что и (NH4)2C03 нитрифицируется значительно медленнее, чем CO(NH2)2. Очевидно, избыток аммиачного азота угнетает работу нитрификаторов. Вероятно, когда образование карбоната аммония происходит при распаде CO(NH2b, в почве устанавливается другое, более благоприятное для жизнедеятельности нитрификаторов равновесие.

Если для ускорения гидролиза мочевины в почву внести фермент уреазу, то превращение мочевинного азота в нитратный происходит медленнее, нежели в почве, где этот процесс протекает обычным путем без прибавки уреазы. Так, например, в почву вносилось 150 мг N из расчета на 1 кг почвы; через 40 дней было найдено N03 в мг N на 1 кг почвы: (ЫН4)гСОз — 115,0, CO(NH2)2 + уреаза — 75,7, CO(NH2h без уреазы—176,5.

Скорость нитрификации мочевины зависит от характера почвы и ^связанного с ним биологического режима почвы. На почвах нейтральных и щелочных, где нитрифицирующие организмы находятся в лучших экологических условиях, мочевина превращается в нитрат наиболее интенсивно. Подзолистая поч

ва отстает от этих почв. Еще медленнее идет превращение мочевины в деградированном черноземе Носовской станции. Выше было отмечено, что и гидролиз мочевины до аммиака идет слабее в этой почве. По всей вероятности, биологическая деятельность носовской почвы ниже, чем у других названных здесь почв.

Хуже всего нитрифицируется мочевина в песчаной почве Новозыбковской станции. Здесь к концу опыта N мочевины перешел в нитрат всего лишь на 15%. Азот NH4C1 и (NH4)2S04 совершенно не нитрифицировался. По (NH4)2S04 содержание нитратного азота в почве было даже ниже, чем в контрольном образце. Не менее резко повлияла на нитрификацию мочевины прибавка к почве H2SO* и НС1. В работе Г. А. Кулика [8], проведенной на Полесской опытной станции, тоже было констатировано, что С1 и S04 угнетают нитрификацию в песчаной почве.

Очень медленная нитрификация в песчаной почве, вероятно, объясняется слабой буферностью песчаных почв, а так как взятые в опыте дозы были довольно высокими, то влияние С1 и S04 выразилось чрезвычайно резко.

В дополнение к лабораторным опытам были поставлены еще и вегетационные опыты, в задачу которых входило выяснение влияния на урожай ускорения гидролиза мочевины путем прибавки уреазы или небольших количеств навоза.

Урожай сухого вещества овса в г на сосуд на трех почвах составил:

Действие CO(NH2)2 и NH4HCO3 на урожай примерно одинаково, и инокуляция почвы ферментом или навозом не сказывается более или менее заметно на действии мочевины.

Разложение мочевины в различных почвенных типах идет довольно бурным темпом, и поэтому какое-либо ускорение этого процесса не представляется необходимым. Может быть, в каком-нибудь исключительном случае разложение мочевины и будет происходить настолько медленно, что потребуется его искусственное ускорение. О. Loew i[9], например, нашел, что в некоторых почвах отсутствуют бактерии, разлагающие мочевину, но таких почв, видимо, существует немного, потому что разлагающие мочевину бактерии являются самыми распространенными представителями почвенной микрофлоры.

1. Мочевина очень быстро превращается в почве в аммиач^ ную форму. Мочевина в количестве, в несколько раз превышающем обычную полевую дозу, полностью гидролизируется в почве за 24 часа.

Уреалитическая способность почв подзолов ДОП и Псковской станции и харьковского чернозема выражена очень резко, уреалитическая способность песчаной почвы и щелочной закавказской почвы значительно слабее.

2. Азот мочевины нитрифицируется в почве сравнительно быстро, во всяком случае значительно быстрее, чем азот аммиачных солей, нитрификация которых очень задерживается из-за наличия в их составе, анионов С1 и S04.

Совместное внесение S04-, Cl-ионов и мочевины сильно задерживает ее нитрификацию. Cl-ион сильнее угнетает нитрификацию, чем S04-hoh.

3. Инокуляция почвы ферментом уреазой или навозом замедляет скорость нитрификации мочевины, на урожай овса эта инокуляция никакого влияния не оказывает.
4. Мочевина нитрифицируется в почве гораздо быстрее, чем (ЫН4)2СОз.
5. Быстрая разлагаемость мочевины в почве позволяет считать это удобрение одной из хороших форм азота для всех почв Союза, за исключением сильно щелочных. Высокое содержание азота (46%) и отсутствие в ней балласта повышают ее удобрительную ценность.

ЛИТЕРАТУРА

1. С h. В г i о и х. Action de Гигёе comme engrais azote. Annales de la Science Agronom. 1925, N 2.
2. Rapport sur le fonctionnement de lTnstilul des Recherches Agronomiques. Отчеты за 1925, 1928, /1929 гг.
3. Bordaset Mathieu. Action de l’uree dans les terrains d’alluvions quaternaires du Comtat Venaissin. Annales de la Science Agronom., 1929, N 5.
4. Бельский В. П. Действия главнейших форм азотных удобрений. «Удобрение и урожай», № 7—8, 1930.
5. Р а т н е р Е. И. Сравнение форм азотистых удобрений. «Удобрение и урожай» № 4, 19130.
6. Gibson Т. The Decomposition of Urea in soils. The Journal of Agricultural Science, v. XX, p. 4, 1930.
7. W a k s m a n n S. A. Principles of soil Microbiology.
8. Кулик Г. А. О влиянии хлоридов и сульфатов на нитрификацию азотных удобрений. «Удобрение и урожай» № 8, 1931.
9. Loew О. Zentralbl. fur Bact. und Parasit. II Abt. 70, 1927.

10. Кузнецов С. И. К вопросу о потерях азота при хранении торфяного я соломенного навоза. Труды НИУ, вып. 76.