Формы азота в почве кратко

Обновлено: 07.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Соединения азота в почве и их превращение. Преобладающая часть азота в почве представлена органическими соединениями. В гумусовых горизонтах почв на органические соединения приходится 93—99 % всего азота. Главным источником и резервом этого элемента служат гумусовые кислоты. Роль гуминовых кислот и фульвокислот в различных почвах неодинакова. В дерново-подзолистых почвах в составе фульвокислот содержится почти вдвое больше азота, чем в гуминовых. В чернозёмах общие запасы азота несравненно выше, чем в других почвах. Биохимическая трансформация гумуса, в результате которой образуются доступные растениям соединения азота, называется мобилизацией азота. В органической части почв главные соединения азота представлены четырьмя группами. Соотношение различных соединений азота в почвах довольно устойчиво. Во всех почвах преобладает негидролизуемый азот, на долю которого приходится от 30 % в дерново-подзолистой почве до 40—45 % в чернозёмах. Доля азота аминосахаров не высока. Аммонийный и аминный азот находятся в почвах примерно в равных соотношениях. Минеральные соединения азота в почвах кроме аммония представлены нитратами и нитритами. В доступных растениям минеральных соединениях находится около 1 — 3% общего количества азота в почве. В лесных почвах содержание минеральных форм азота сильно колеблется в течение вегетационного периода. На баланс и доступность азота растениям в почвах влияют следующие факеторы: Клубеньковые бактерии — активные фиксаторы атмосферного азота в симбиозе с бобовыми растениями. Аммонификация - это минерализация азотсодержащих органических веществ, протекающая под воздействием аммонифицирующих микробов, выделяющих ферменты, приводит к образованию аммиака. Благодаря аммонификации представителей растительного и животного мира и их продуктов жизнедеятельности (мочевины, испражнений) почва обогащается азотом и другими соединениями. Аммонификация является первой стадией минерализации азотсодержащих органических соединений. Нитрификация — следующий за аммонификацией этап превращения азота микроорганизмами. Этот процесс представляет собой окисление аммиака (до нитритов и нитратов), образующегося при разложении органических азотсодержащих соединений. Денитрификация , протекающая под воздействием микробов, представляет собой восстановление нитратов с образованием в качестве конечного продукта — молекулярного азота, возвращающегося из почвы в атмосферу. Вызывается этот процесс денитрифицирующими бактериями. Биологическая денитрификация наиболее интенсивно развивается в плохо дренированных почвах при реакции почвенного раствора, близкой к нейтральной, достаточной обеспеченности почв органическим веществом и температурах около +25 °С. Денитрификация в корнеобитаемом слое снижает обеспеченность растения азотом.

Азот — один из важнейших элементов развития растения. В природе существует несколько форм азота. Азот также составляет 78% от содержания атмосферы и 3% человеческого тела.

Краткая история элемента

Породы, которые составляют Землю, имеют очень малое содержание азота. Что-то в минимальных количествах по сравнению с другими типами выделения азота высвобождается в почву, когда происходит выветривание этих пород.

Тем не менее, действительно интересна фиксация атмосферного азота (о 78% которого мы говорили). Когда мы говорим о фиксации, то мы имеем в виду обеспечение сельскохозяйственных культур усвояемым азотом.

Существует также еще один путь, абиотический, где фиксация происходит с помощью дождя, снега и т. д., в общем, атмосферных явлений.

Если бы вам пришлось выбирать способ фиксации, какой бы вы выбрали? Несомненно, тот, который предполагает большую работу, проводимую микроорганизмами, т. е. биотический путь.

Однако, на нашей земле нет оптимальных условий для развития микроорганизмов.

ФУНКЦИИ АЗОТА В РАСТЕНИЯХ

Однако, это утверждение не содержит ничего конкретного, поэтому давайте добавим еще несколько вещей. Таким образом, мы увидим истинную важность этого элемента в растениях.

Самая важная роль азота в культурах — быть частью растительных белков (то, что мы говорили о создании массы).

Что, если мы посмотрим на функциональную точку зрения?

Он участвует во всех этих ферментативных процессах:

Оксидазы, каталазы и пероксидазы
Дегидрогеназы
Гидролазы
Нуклеопротеины
Трансфосфорилазы и трансаминазы
Карбоксилазы

А также стимулирует образование ауксинов, образует лигнин, участвует в производстве хлорофилла и т. д.

СКОЛЬКО ВИДОВ АЗОТА СУЩЕСТВУЕТ?

Что касается этих минеральных форм, нам представлены две, которые вы, несомненно, знаете:

Аммонийная форма (NH4+)
Нитратная форма (NО3-)

Аммонийная форма, со временем и под действием климата и микроорганизмов переходит в нитратную форму, легко поглощаемую растениями. Однако, все это несколько сложнее, минерализация органического азота проходит через несколько этапов, но мы можем обобщить, что аммонийный N переходит в нитратный N.

Здесь необходимы микроорганизмы и качество почвы, поскольку без них было бы невозможно перейти от NH4+ к NO3-. Ничего не остается, как заботиться о своих почвенных микроорганизмах.

Мочевина представляет собой химическую форму диамида угольной кислоты. Предположим, что это соединение находится в процессе нитрификации сверху. Мочевина разлагается на аммоний, который, в свою очередь, переходит в нитрат.

КАК РАСТЕНИЕ ПОГЛОЩАЕТ АЗОТ?

Как упоминалось ранее, растения поглощают нитратный азот. Следовательно, многие фермеры используют в качестве основного удобрения аммиачный азот или мочевину, поскольку они, как ожидается, останутся в почве как можно дольше.

Еще одна вещь, о которой мы еще не говорили, заключается в том, что это соединение может поглощаться растением как на корневом уровне (обычно корнями), так и листвой (при непосредственном применении).

Тем не менее, для азота является обычной практикой внесение в почву как в аммиачной (NH4+), так и в нитратной (NO3-) форме.

Корни растений поглощают азот из почвы в виде нитрата (NO3-) или аммония (NH4+). В большинстве почв действие нитрифицирующих бактерий приводит к тому, что культуры поглощают в основном N-NO3-. В других особых ситуациях в почве, таких как анаэробные условия, растения могут поглощать относительно больше NH4+, чем NO3-. Точно так же это может произойти сразу же после применения аммонийных удобрений или на ранних стадиях роста, когда температура по-прежнему низкая для быстрой нитрификации. В некоторых случаях они также поглощают N в виде мочевины.

Предпочтение растением NH4+ или NO3-, когда обе формы присутствуют, в основном, зависит от вида культуры. Зерновые культуры поглощают любую форму N, в то время как пасленовые, например, томаты отдают предпочтение более высокому соотношению NO3-/NH4+. Рис является типичным примером адаптации к NH4+. Другими видами, адаптированными к питанию с NH4+, являются те, которые выращиваются на кислых почвах тропических и субтропических регионов, где процесс нитрификации ограничен.

Есть исследования, которые показывают, что некоторые культуры лучше растут, если дается смесь NH 4+ и NO3-. В частности, было обнаружено, что некоторые растения могут не только показывать более высокий уровень урожайности, но и более высокие уровни белка.

Поглощение и усвоение NO3-

NO3- всасывается активно, т.е. с затратой энергии. Специальные ферменты катализируют прохождение ионов NO3- через клеточные мембраны, особенно на уровне корневых волосков. Как уже указывалось, NO3- поглощаются в меньшей степени при низких температурах. На поглощение также влияет молибден, так как на поверхности корневых клеток образуется молибдропротеин для переноса NO3-.

Когда NO3- проник, растение может отложить его про запас как таковой корневыми тканями, или восстановить и синтезировать в аминокислотах, или отложить в ксилеме, чтобы транспортировать в стебли.

Усвоение NO3- осуществляется через ряд этапов. Во-первых, NO3- восстанавливается до NO2- посредством ферментативного действия и в присутствии фотосинтетов. Затем NO2- восстанавливается до NH3, под действием нитритредуктазы. Полученный NH3 быстро включается в глутаминовую кислоту под действием глутаминсинтетазы и глутаматсинтазы, расположенных как внутри так снаружи клеток.

Поглощение и усвоение NH4+

Поглощение NH4+ достигается посредством активного и пассивного процесса. Эксперименты, в которых были использованы метаболические ингибиторы, показали, что при ингибировании высвобождение дыхательной энергии при поглощении NH4+ уменьшается вдвое, но не полностью ингибируется, как в случае поглощения NO3-. Поглощение NH4+ увеличивается при значениях рН, близких к 8. Его поглощение приводит к увеличению поглощения неорганических анионов (H2PO4-, SO42- и Cl-), а рН ризосферы может уменьшаться из-за высвобождения H+ с помощью корня для поддержания электрической нейтральности.

Несмотря на то, что NH4+ может пассивно поглощаться, его скорость поглощения в большей степени зависит от скорости подачи энергии, чем скорость поглощения NO3. Это связано с тем, что после поглощения NH4+ должен быть немедленно включен в углеродные скелеты. Если для этого процесса отсутствуют углеводы, NH4+ может накапливаться до токсичных уровней в корне. Это приводит к остановке роста и уменьшению поглощения K+ с симптомами дефицита этого питательного элемента у растения.

После поглощения NH4+ не нужно восстанавливать, поэтому по сравнению с NO3- растение экономит энергию. Однако, в некоторых ситуациях эти энергетические затраты могут быть незначительными. Когда NO3 восстанавливается в листе, энергия, используемая для процесса восстановления, поступает непосредственно из солнечной энергии и не включает использование углеводов в качестве источника энергии. Только когда NO3- восстанавливается в корне, энергия, используемая растением для этого процесса, исходит из катаболизма углеводов.

АТМОСФЕРНЫЙ АЗОТ

Существуют растения, способные захватывать азот из атмосферы, восстанавливая его и превращая в аминокислоты и белки, которые будут служить пищей.

Согласно Бермудесу де Кастро, атмосферный азот фиксируют следующие культуры:

Бобовые (с Rhizobium)
Лишайники (Peltigera, Lichina, Collena)
Водный папоротник Azolla – Anabaena
Гуннера — Nostoc
Злаковые с бактериями Azotobacter
Голосеменные с Cyanophyta
Симбиоз междуPhsychotriaи бактериями

КАК ДИАГНОСТИРОВАТЬ НЕДОСТАТОК АЗОТА?

Недостаток азота, к счастью, довольно легко обнаружить. Поскольку этот элемент оказывает влияние на хлорофилл, его недостаток вызывает ингибирование производства зеленого пигмента.

Следовательно, мы можем наблюдать листья с полным хлорозом.

Поскольку азот тесно связан с ростом, если растению не хватает этого элемента, мы увидим чахлые растения, которые в конечном итоге, одревеснеют в ближайшее время.

В целом, чтобы правильно поставить диагноз, необходимо иметь в виду, что первые симптомы (хлороз и отсутствие роста) появляются на старых листьях.

Это связано с тем, что азот является очень подвижным элементом в растении, поэтому он легко перемещается в самые активные точки с функциональной точки зрения.

… И ИЗБЫТОК?

Избыток азота в растениях может приводить к преувеличенному росту, более мощному развитию побегов и ветвей (большее клеточное размножение), более нежным растениям (менее лигнифицированным), задержкам появления древесных частей, задержке зрелости, и т. д.

Основное количество соединений азота сосредоточено в верхнем почвенном горизонте и представлено главным образом органическими соединениями. В среднем на долю азота приходится около 5% от массы органического вещества почвы, что составляет обычно 0,02-0,4% от массы пахотного слоя почв. Помимо органических соединений (гумусовые вещества и растительные остатки), азот в почве присутствует в виде неорганических компонентов в почвенном воздухе, почвенном растворе и в обменном или фиксированном состоянии входит в состав твердой фазы почв.

Среди органических соединений азота от 20 до 50% составляют аминокислоты, присутствуют также амиды, аминосахара и гетероциклические соединения. Около 50% органических соединений азота остаются неидентифицированными. Все органические соеди-нения азота можно разделить на легко разлагаемую и стабильную фракции. На долю первой приходится обычно менее одной трети всего органического азота почвы.

Органические соединения азота, содержащиеся в почве, являются основным резервом для питания растений. В результате процессов химической и, преимущественно, биохимической трансформации этих соединений происходит образование доступных для растений веществ, протекает так называемый процесс мобилизации азота. Даже бедные почвы, например дерново-подзолистые, содержат в пахотном слое до 4 т/га азота. Этого количества при его полной мобилизации было бы достаточно для созревания урожая в течение 50-60 лет. Однако такая мобилизация азота привела бы к полному разрушению гумусовых веществ, и почвы утратили бы все свои агрономически ценные свойства.

Соединения азота всегда содержатся в поступающих в почву растительных остатках и мобилизуются в процессе их разложения. Особенно интенсивно этот процесс протекает на ранних стадиях распада растительных остатков, когда соотношение массы углерода и азота в них ниже 20. В дальнейшем скорость поступления соединений азота определяется скоростью разложения органического вещества почвы. Обычно в полевых условиях в результате процессов разложения в почву ежегодно переходит от 1 до 3% азота, содержащегося в органическом веществе почв.

В почвенном воздухе соединения азота представлены молекулярным азотом, аммиаком, оксидом азота (I), оксидом азота (II) и диоксидом азота.

При газовом обмене с атмосферным воздухом часть почвенного азота теряется. Так, по данным Б. Н. Макарова, например на дерново-подзолистых и суглинистых почвах, в среднем за период с мая по август на полях без внесения азотных удобрений теряется только в виде NO₂ до 0,2 т азота на каждом гектаре. Внесение азотных удобрений увеличивает количество соединений азота, поступающих в атмосферу, что особенно заметно в первыйгод. В целом, если принять во внимание данные о возможном переходе 27% азота из удобрений в газовую фазу и считать доли молекулярного азота и N₂О в газовой фазе одинаковыми, при внесении 90 кг азота на гектар почв в атмосферу может выделиться 12 кг N₂, 19 кг N₂О и 0,8 кг NO₂.

Экспериментальные измерения состава приземного воздуха, проведенные Б. Н. Макаровым, показали, что в зависимости от гидротермических условий содержание диоксида азота в приземном слое колеблется от 0 до 8 ·10 -7 % (об.) и в среднем составляет 4 ·10 -7 % (об.), доля аммиака изменяется от 0 до 9 · 10 -6 %(об.).

Сегодня мы рассмотрим почвенные процессы, минерализацию органических веществ и основной процесс образования нитратного азота – нитрификацию,
расскажем про разницу аммонийной формы азота и нитратной.

Минерализация органических веществ
В почве мы имеем микроорганизмы – любые живые существа, которым необходима влага, тепло, и кислород. Если исключить хотя бы один фактор, то процессы нарушатся. Одним из таких является гумус.

В первую очередь в органических веществах происходит процесс аммонификации, благодаря которой получается аммонийная (аммиачная) форма азота. Её образование протекает как при помощи О2, так и без него. Оптимальной температурой для микроорганизмов является диапазон от 10 до 30 градусов тепла.

Аммонийная форма
Аммонийная форма – это катион, который поглощается ППК (почвенно-поглощающий комплекс). Доступна она растениям? Да. Токсична? В больших количествах – да. Стоит ли её опасаться? Нет, природа все предусмотрела.
Пока растение растет, развивает свою корневую систему, аммонийная форма по сути переходит в процесс нитрификации.

Нитрификация
В отличии от аммонификации процесс нитрификации происходит только при наличии О2. Почему только так – рассмотрим далее. У нас образовалась N-ное количество NO2+H2O. Нитриты – нестабильная, переходная форма азота, которая при наличии кислорода очень быстро переходит в нитратную форму NO3, являющейся анионом.
Анионы, как известно, спокойно располагаются в почвенном растворе и не связываются с ППК.

Денитрификация
Нитраты могут промыться ниже корня обитаемого слоя, и если убрать кислород, а в почве будет наличие нитратов, то включаются уже денитрификаторы. Это грозит тем, что нитраты превратятся в закись азота, газообразные формы, которые улетучиваются в атмосферу.

Разница между аммонификацией и нитрификацией
Нитратная форма –легкодоступная форма азота, которая живет в почве и спокойно реагирует на изменение концентрации, для нее важны лишь влага и тепло. А аммонийная форма требует кислород. В этом и вся разница.

Когда происходит максимальная потребность у растений в азотном питании?
Советские источники утверждают, что потребность в азотном питании начинает возрастать с 22 фазы по 29, после которой идет пик потребности аж до самого цветения. Но не забываем про нюансы: необходимо учитывать, какая это пшеница: яровая или озимая.
Ведь к примеру у озимой пшеницы потребность питания начинает возрастать, а почва еще не прогрелась до +10’C. У яровой немного иначе: на начальной фазе влага есть, а нитратного азота так много еще не нужно.

Подводя итоги, хотим сказать, что нитрификация является важным процессом, потому что это легкодоступная форма азота. Каждое поле обладает индивидуальной нитрификационной способностью – потенциалом с возможностью корректировки, который можно использовать в формуле расчета из предыдущей статьи.

Читайте также: