Проблемы азота в современном земледелии
ПРОБЛЕМЫ АЗОТА В СОВРЕМЕННОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ
План занятия:
1. Питание растений азотом.
2. Превращение азота в почве (источники и формы азота в природе).
3. Баланс азота в земледелии.
1. Питание растений азотом. Азот входит в состав всех простых и сложных белков, нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). Содержится в хлорофилле, фосфатидах, алкалоидах, ферментах и в других органических веществах клетки. Главным источником азота для растений является нитратный (NO3-) и аммиачный (NН4+) азот. кроме того, ряд растений способен поглощать молекулярный азот (N2), нитратную форму (NO2-), аминоформу (NН2) и азот, входящий в состав многочисленных органических соединений. Азот, поступивший в растения в минеральных формах, проходит сложный цикл превращений, конечным итогом которых является включение в его состав белковых молекул. Основа лежит в реакции амминирования взаимодействие аммиака истогруппой соответствующих кислот (дикарбоновых). Принято считать, что все доступные формы азота в начале превращаются в растении в аммоний - NO3 →NO2→ NH4 .
Так, щавелевоуксусная кислота, присоединяя аммиак и отщепляя воду, образует иминощавелевоуксусную кислоту, которая затем восстанавливается до аспарагиновой:
+NH3
COOH·CO·CH2·COOH → COH·C=NH4·CH2·COOH+2H→ COOH·CH2·CHNH2·COOH
- H2O
реакция образования первичных аминокислот (аспарагиновая и глютаминовая) играет большую роль в метаболизме растительного организма.
Поглощение азота растениями и его использование для синтеза белков и других органических азотистых веществ происходит в течении всей вегетации, но с неодинаковой интенсивностью в разные фазы роста и развития. В молодых растущих органах преобладают процессы синтеза, а в более старых – процессы распада.
Прянишникова и его учеников показано, что аммиачный и нитратный азот при определенном сочетании внешних и внутренних условий могут быть равноценными источниками азота для растения. Однако при некоторых условиях лучшим источником азота может быть NH4+, а при других условиях - NO3- .
Поглощение двух главных форм азотистой пищи корнями предопределяется такими внешними условиями питания, как температура и реакция почвенного раствора: по мере увеличения значений рН усиливается поглощение NH4+ и снижается поглощение NO3‑; поглощение NO3‑ уменьшается на 1/3 с увеличением рН с 5,0 до 7,8; снижение скорости и массы поглощения не компенсируется повышением концентрации NO3‑ в растворе; если в растворе присутствуют оба иона, то при температуре 8°С аммоний поглощается сильнее, чем нитрат
Поглощение NH4+ способствует : нейтральная реакция почвенного раствора, увеличение концентрации Са, Мg и К, содержание в растениях углеводов, температура почвы 5-10 єC и 25- 30 єC.
Поглощению NO3- способствует: кислая реакция рН, достаточное содержание Р и Мо, температура почвы 20-25 єC и 30-35 єC.
Избытком аммиачного азота во время прорастания семян, бедных углеводами (например, сахарная свекла) способствует накоплению его в растительных тканях, вызывая аммиачное отравление. При нитратном питании этого не происходит. Поэтому для припосевного или предпосевного внесения удобрений под мелкосеменные культуры лучшей считается нитратная, чем аммиачная форма.
2. Превращение азота в почве (источники и формы азота в природе). Основным источником азотного питания является детрит (составная часть гумуса, пожнивно-корневые остатки и микробиологическая масса).
Общее содержание азота в почвах зависит от содержания в них органических веществ: больше всего N в богатых гумусом черноземах, а меньше в дерново-подзолистых почвах и сероземах, общий запас N в пахотном слое одного гектара колеблется в разных почвах от 1,5 г в дерново-подзолистой до 15 т в мощном черноземе.
Каждая тонна гумуса, независимо от климатических условий и почвы, обеспечивает получение 5,0-6,7 кг зерна. Следовательно, каждые 150-200 т гумуса почвы, в зависимости от географического положения, почти независимо от условий увлажнения обеспечивают одну тонну зерна. Отсюда, первостепенная задача постоянно и всемерно наращивать содержание гумуса в. Таким образом, количество NO3‑ и NH4+ в почве, которое может поглотиться корневой системой, определяется: нетто - освобождением азота из органического вещества при минерализации; нитрификацией NH4+ до NO3‑, денитрификацией NO3‑; потерями Noз‑ при вымывании из почвы; газообразными потерями при улетучивании NH4+; скоростью поглощения азота корнями культурных растений; внесением азота с удобрениями; поступлением азота с осадками; жизнедеятельностью свободноживущих азотфиксаторов; фиксацией азота в органические формы микроорганизмами.
Основной запас этого элемента находится в атмосфере, над поверхностью почвы содержится 79% азота, но в форме, недоступной большинству сельскохозяйственных культур. Азот в почве содержится в форме органических и минеральных соединений, находящихся в состоянии превращения одних форм в другие: белки, гуминовые вещества→аминокислоты, амиды→ аммиак→ нитриты→нитраты и большой ряд промежуточных соединений.
Однако основная масса азота содержится в почве в различных органических соединениях (94-95 %) или в форме аммония, необменнофиксированного глинистыми минералами (3-5 %).
Эта часть азота недоступна или труднодоступна растениям. Только малая часть азота (от 0 до3%) содержится в легкоусвояемых растениями минеральных формах (NO3-, NH4+ и т. д. ). Их количество в почве определяется рядом процессов: освобождением азота из органического вещества при минерализации, нитрификацией NH4+ до NO3- денитрификацией, вымывание NO3- из почвы, улетучиванием NH3; поступлением азота с осадками (80% запасов азота находится в атмосфере); деятельностью свободноживущих азотфиксаторов (цианобактерии и фотосинтезирующие бактерии) и фиксацией азота в микробиологической форме (симбиотическое).
В связи с этим нормальное обеспечение растений азотом зависит от скорости минерализации азотистых органических веществ. Их разложение в почве может быть представлена схемой:
белки, гуминовые вещества → аминокислоты, амиды → аммиак → нитриты → нитраты.
Распад азотистых органических веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Осуществляется обширными группами аэробных и анаэробных микроорганизмов: бактерии, плесневые грибы.
Под воздействием ферментов, выделяемых этими микроорганизмами белковые вещества гидролизируются до аминокислот. В результате процессов дезаминирования от этих соединений отщепляется NH3 и образуются органические кислоты, которые дальше разлагаются до простейших соединений Н2О, СО2, Н2, СН4.
Выделяющийся NH3 образуют соли с органическими и минеральными кислотами:
2NH3+H2CO3=(NH4)2CO3
Са NH4
(ППК) + (NH4)2CO3 = (ППК) NH4 + СаСО3
Са Са
Аммонификация происходит во всех почвах при разной реакции среды, с доступом воздуха и без него, но сильно замедляется в анаэробных условиях, при сильно кислой или щелочной реакции. На скорость аммонификации влияют температура почвы, влажность. В анаэробных условиях азотистые органические вещества в почве разлагаются до NH3, а в аэробных условиях соли аммония окисляются до NH3.
Окисление аммиака до нитратов называется нитрификацией. Осуществляется группой специфических бактерий, для которых это окисление является источником энергии. Идет в две фазы. В окислении аммиачных солей до азотистой кислоты принимают бактерии рода Нитрозамонас и Нитрососпира, а до азотной кислоты бактерии рода Нитробактер.
Может идти по следующему уравнению
2NH3+3O2=2HNO2+2H2O
2HNO2+O2=2HNO3
Нитрификация является многоэтапным процессом
NH3→NH4OH→NH2OH→ через ряд промежуточных продуктов → HNO2→HNO3
Образовавшаяся при нитрификации HNO3 кислота нейтрализуется бикарбонатом кальция, магния или основаниями почвы:
2HNO3+Ca(HCO3)2=Ca(NO3)2+2H2CO3
Са Са
HNO3+(ППК)=(ППК)H+Ca(NO3)2
Са Н
Оптимальными условиями для нитрификации являются: аэрация, влажность 60-70 % от капиллярной влагоемкости, температура 25-32 єC, рН 6,5-7,5. В год может образовываться до 100 мг NO3 на 1 мг почвы. На скорость образования нитратов влияют: обработка почвы, удобрения, мелиорация.
Скорость реакции нитрификации равняется скорости роста микроорганизмов. Нитрификация вызывает подкисление почвы вследствие реакции: NH4++2О2→NО3+Н2О+2Н+. При длительном применении аммонийных форм удобрений, почва сильно подкисляется, и возникает необходимость компенсирующего известкования. В практику земледелия Юга России на черноземах входит известкование как прием, омолаживающий минеральную часть почвы и буферность.
Наряду с положительными значением нитрификация играет и отрицательную роль, так как нитраты вследствие своей высокой подвижности могут вымываться из почвы, а также подвергаться денитрификации.
Денитрификация - процесс восстановления нитратного азота до газообразных форм (NO, N2O, N2). Осуществляется обширной группой бактерий, носящих название денитрификаторов. Этот процесс особенно интенсивно развивается в условиях, когда в почве отсутствует воздух, почва имеет щелочную реакцию и в избытке органической вещество богатое клетчаткой, глюкозой и другими углеводами.
Восстановление нитратов до нитритов осуществляется при участии ферментов – нитратредуктазы, а дальнейшее восстановление нитритов – с помощью нитритредуктазы.
C6H12O6+6HNO3→CO2+9H2+3N2O
5C6H12O6+24HNO3→30CO2+42H2O+12N2
Восстановление нитратов идет через ряд промежуточных этапов
HNO3→HNO2→(HNO)2→N2O→N2
Существует тесная связь между денитрификацией и нитрификацией. Интенсивное образование NO3 вызывает обеднение их кислородом и выделением СО2 – становятся анаэробные и создаются условия для денитрификации.
Подобно всем биохимическим процессам денитрификация зависит от температуры окружающей среды: при температуре ниже 10°С она незначительна; поскольку денитрификаторами являются термофильные бактерии, то оптимальной температурой для протекания процесса считается 40-75°С; в холодное время года (ноябрь – февраль), несмотря на высокую влажность почвы (≈100% НВ) и анаэробные условия, денитрификация не наблюдается в силу отсутствия оптимальных температур. Это исключает потери азота из-за улетучивания. Что касается реакции почвенной среды (рН), то оптимум для денитрификации колеблется в пределах 7-7,5.
Ряд условии, взаимодействие и промежуточных продуктов окисления, при взаимодействии NO3 с фенольными группами и ионами (Mn2+,Fe2+) тяжелых металлов, кислая реакция почвы.
Органические и минеральные удобрения обогащают почву азотом и другими питательными веществами, усиливают мобилизацию почвенных запасов элемента путем минерализации органического вещества почвы. С органическими удобрениями в почву поступают органические соединения, стимулирующие жизнедеятельность микроорганизмов, и разнообразная микрофлора, ускоряющая разложение органических веществ почвы. Минеральные удобрения повышают интенсивность биологических процессов в почве, там как являются источником питания микробов азотом и другими питательными веществами.
Для сохранения содержания органического вещества почвы на постоянном уровне необходимо, чтобы равное количество азота ежегодно преобразовывалось в новый органический материал, возникающий за счет корней и пожнивных остатков. Распад пожнивно-корневых остатков приводит к образованию нового органического вещества почвы и обеспечивает бездефицитный баланс гумуса только в сочетании с навозом.
Существенным источником поступления азота в почву являются пожнивно-корневые остатки. Это особенно важно, если учесть поступление азота с неучтенными органическими веществами корневых волосков и корневых выделений и коэффициенты использования азота из органических веществ.
Свободный молекулярный азот связывается и поступает в почву в результате двух процессов: выпадения с осадками и фиксации микроорганизмами. Поступление с осадками весьма незначительно по сравнению с потребностями сельскохозяйственных культур – в среднем на каждый гектар выпадает 8,56 кг азота в форме окислов и аммония.
Фиксация азота микроорганизмами зависит от того, осуществляется ли она в процессе симбиоза с растениями или свободноживущими аэробными и анаэробными бактериями, грибами, водорослями. Свободноживущими азотфиксаторами, среди которых особое место отводится азотобактеру, ежегодно связывается 5 кг азота на гектаре в зернопропашном севообороте и 15 кг/га в плодосменном севообороте с участием люцерны. Клубеньковые бактерии в симбиозе с люцерной на типичных черноземах накапливают 70- 100 кг/га азота в год.
На состояние азотного режима почвы существенное влияние оказывает поглотительная способность почвы, под которой понимают способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора и удерживать их. Из известных видов поглотительной способности почвы - биологическая, механическая, физическая, химическая и физико-химическая, или обменная, поглотительная способность почвы - на поведение различных форм азота в почве прямое влияние оказывают биологическая и физико-химическая или обменная поглотительная способность почвы.
Через посредство биологической поглотительной способности почвы в плазме микроорганизмов накапливается около 125 кг/га азота. Из образовавшегося в почве NО3‑ закрепляется в органической форме 10-20%, из аммиачной формы – 20-40% азота. Интенсивность биологического поглощения, как мы показали выше, зависит от влажности, аэрации, содержания фосфора, калия и других свойств почвы, а также от количества и качества органических веществ, служащих энергетическим материалом для микроорганизмов.
Нитратная форма азота не подвергается воздействию никакого другого вида поглотительной способности, находится в лабильном состоянии и поэтому, кроме поглощения корнями растений, может подвергаться вымыванию из почвы за пределы корнеобитаемого слоя, а на легких почвах в увлажненных районах и при орошении - даже в грунтовые воды. С небольшим количеством осадков и преобладающим восходящим током воды возможно вынесение NО3‑ с испаряющейся водой на поверхность почвы и потери в газообразном состоянии в процессе улетучивания.
3. Баланс азота в земледелии.
Для азота наблюдается четыре цикла круговорота: внутрипочвенный, внутри растения, внутрихозяйственный и геологический. Выявление характера превращений азота, включения его в различные обменные процессы, круговороты, особенно, связанные с потерями из почвы минеральных соединений делает исключительно важными сведения и о балансе его растворимых соединений в различных почвенных условиях
При коэффициентах использования азота из минеральных удобрений (42%), органических (23%) и потерях соответственно 33 и 30%, никаким наращиванием производства удобрений нельзя добиться положительного баланса этого элемента в земледелии. Недооценивается значение биологического азота для современного земледелия, даже при нынешнем несовершенном отношении к нему на долю биологического азота, от всего поступившего приходится 34 кг/га или больше, чем внесено с органическими удобрениями в 1,48 раза и 74%, от поступившего в почву с минеральными удобрениями. Следовательно, за счет повышения культуры земледелия, внедрения зеленых удобрений, выращиваемых в промежуточных посевах, совершенствования структуры посевных площадей в пользу бобовых и зернобобовых культур, оптимизации применения фосфорных и калийных удобрений, микроудобрений, органических удобрений, биогумуса и бактериальных препаратов абсолютные величины биологического азота в ближайшие годы достигнут уровня внесения технического азота, что позволит добиться бездефицитного баланса этого элемента в земледелии.
В севообороте с интенсивным использованием пашни посредством сочетания основных и промежуточных однолетних культур, несмотря на то, что азота в нем выносится на 27% больше по сравнению с общепринятым севооборотом, баланс этого элемента, даже без внесения технического азота, оказывается бездефицитным или положительным. Поэтому не случайно люцерна считается надежным восстановителем плодородия почвы, к ней приближаются плодосменные севообороты, насыщенные промежуточными культурами.
