Круговорот и баланс азота в земледелии кратко
Обновлено: 02.07.2024
Соединения минерального азота в почве очень подвижны и динамичны. Их содержание и трансформация являются результатом многочисленных физических, физико-химических и биологических процессов круговорота азота. В естественных биоценозах происходит замкнутый цикл круговорота. Он включает приходные статьи: поступление азота с растительным опадом, остатками корней, экскрементами и останками животных; биологическую фиксацию атмосферного азота микроорганизмами, поступление NO3 и NH4 с атмосферными осадками, и, соответственно, расходные: использование растениями, инфильтрация и денитрификации, потери в результате водной и ветровой эрозии.
Соотношение приходных и расходных величин в круговороте азота составляет баланс этого элемента. Если расход превышает накопление, баланс будет отрицательным, в противоположном случае – положительным, если же обе величины равны – баланс нулевой (уравновешенный), он характерен для природных биоценозов. В процессе освоения земельных участков уравновешенный баланс нарушается: потери значительно превышают поступление, и почва обедняется данным элементом. В такой ситуации внесение азотных удобрений и навоза может ликвидировать дефицит в азотном балансе почвы и создать условия для сохранения и повышения её плодородия. Это одно из важнейших условий интенсивного земледелия
Трансформация азота удобрений в почвах и его использование растениями.
(Д.А. Сабинин, 1955).
Ранее полагали, что растение использует в год внесения азотных удобрений 60 – 70% содержащегося в них азота, в последствии же выяснилось, что весь внесённый в почву азот удобрений расходуется за один вегетационный период: часть используется растениями, часть иммобилизуется, и часть безвозвратно теряется (Б.А. Ягодин, 2004).
Эффективность азотных удобрений и способы снижения потерь.
Сбалансированное применение азотных удобрений существенно повышает содержание витаминов в растениях, увеличивает содержание аскорбиновой кислоты, каротина, тиамина, рибофлавина и миозина. Нитратная форма в большей степени способствует накоплению аскорбиновой кислоты, чем аммонийная
(Д.А. Филимонов, 1978).
Повышение эффективности азотных удобрений связано с увеличением продуктивного использования азота растениями и снижения его безвозвратных потерь. Решается это за счёт совершенствования агротехнических и мелиоративных мероприятий и за счёт оптимизации условий питания растений:
Применение оптимальных доз и форм удобрений с учётом биологических особенностей растений, свойств самих удобрений и почвенно-климатических условий.
Приближение сроков внесения удобрений к периоду интенсивного потребления азота растениями с учётом их биологических и сортовых особенностей.
Использование ингибиторов нитрификации – препаратов, угнетающих жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий и обеспечивающих сохранение азота в аммонийной форме.
Внедрение новых форм медленнодействующих азотных удобрений с контролируемой скоростью высвобождения азота
(Б.А. Ягодин, 2004).
Глава 2.
Характеристика азотных удобрений.
В зависимости от формы соединения азота все азотные удобрения можно разделить на виды:
Аммиачные – азот в форме свободного аммиака;
Аммонийные – азот в виде иона аммония, связанного с какой-либо кислотой;
Нитратные - азот в окисленной форме, в виде солей азотной кислоты;
Аммонийно-нитратные – азот присутствует одновременно в аммонийной и в нитратной формах;
Амидные – азот находится в органической форме в виде амидов.
Аммиачные удобрения.
В качестве жидких аммиачных удобрений применяют жидкий (безводный) и водный (аммиачная вода) аммиак. Жидкий аммиак – самое концентрированное безбалластное удобрение, он содержит 82,3% азота. Водный аммиак – раствор аммиака в воде, содержащий 20 – 25% аммиака, выпускают 2 сорта: первый содержит 20,5% азота (25% аммиак), второй – 16,4% (20% аммиак).
Жидкие аммиачные удобрения имеют ряд преимуществ перед твёрдыми: производство проще и дешевле, все процессы, связанные с погрузкой, выгрузкой и применением полностью механизированы, они более равномерно распределяются в почве, не обладают такими отрицательными свойствами твёрдых, как слёживаемость и расслоение.
Азот таких удобрений находится в основном в форме свободного аммиака, и только незначительная часть в виде катиона NH4 + . Это определяет их отличие от твёрдых нитратных и аммонийных удобрений не только по физическим, но и по агрохимическим свойствам. Внесённый в почву жидкий аммиак превращается в газ, который адсорбируется почвенными коллоидами и поглощается почвенной влагой, образуя гидроксид аммония. Он взаимодействует с анионами почвенного раствора и даёт разные соли и, вступая во взаимодействие с почвенными коллоидами, поглощается твёрдой фазой почвы. Удержание аммиака зависит от общей ёмкости поглощения, механического состава, влажности, структуры почвы, содержания и состава гумуса, реакции среды, а так же от глубины и способа заделки. На тяжёлых, богатых органическим веществом почвах нормального увлажнения аммиак поглощается лучше, чем на лёгких, бедных гумусом (Б.А. Ягодин, 2004).
Жидкие азотные удобрения применяются в качестве основного удобрения под все культуры. Вносить их можно как весной, под посев яровых и в подкормку пропашных, так и осенью, под посев озимых хлебов, однако при этом следует учитывать гранулометрический состав т.к. на лёгких почвах это сопряжено с возможной потерей аммиака, т.к. часть его не будет адсорбироваться ППК. Учитывая локальность размещения аммиака, применять их следует при расстановке подкормочных сошников под полевые культуры сплошного сева на 25 см, а на лугах и пастбищах – 35 см. По мере нитрификации образующиеся нитраты передвигаются с почвенной влагой в зону, доступную для корней. Её интенсивность зависит от свойств почвы – в чернозёмах и окультуренных дерново-подзолистых она происходит быстрее, чем в кислых подзолах. По агрономической эффективности жидкие азотные удобрения не уступают твёрдым. В некоторых случаях жидкий аммиак может быть более эффективен, в частности, на лёгких почвах в условиях орошения или в увлажнённых районах (Д.А. Кореньков, 1958).
Растворы азотосодержащих солей в концентрированном водном аммиаке называются аммиакатами. В качестве компонентов чаще всего используют мочевину, аммиачную и кальциевую селитру, к ним также относятся углеаммиакаты, получившие большое распространение в нашей стране – водные растворы карбоната, бикарбоната аммония и мочевины, содержащие 4 – 7% свободного аммиака и 18 – 35% общего азота. Все аммиакаты очень разнообразны как по общему содержанию азота, так и по соотношению его различных форм, и, в связи с этим, разнообразны по физическим свойствам, удельному весу, температуре, кристаллизации и т.д. По степени упругости паров их разделяют на 2 группы: с умеренной упругостью (0,2 – 0,7 атм) содержат 35 – 40% азота и с повышенной (0,7 – 3,6 атм) – 40 – 50% азота.
По действию на урожай они равноценны твёрдым азотным удобрениям. При их внесении необходимо соблюдать глубину заделки в почвах разного гранулометрического состава. Также следует учитывать, что диффузия аммиака в почве не превышает 8 – 10 см, поэтому расстояние между сошниками следует устанавливать не более 20 – 25 см, а при подкормке пропашных расстояние между ними устанавливается по ширине междурядий (Ф.В. Турчин, 1957).
Аммонийные удобрения.
К аммонийным удобрениям относят углекислые соли аммония его сульфат (20,5% азота) и хлорид (24 – 25 %).
Внесённые в почву аммонийные удобрения быстро растворяется и ион NH4 входит в ППК, а в раствор переходит эквивалентное количество вытесненных катионов. Переходя в обменно-поглощённое состояние, ион аммония теряет подвижность, поэтому, в условиях промывного водного режима он не вымывается из почв и хорошо усваивается растениями. В дальнейшем из-за нитрификации аммонийный азот переходит в нитратную форму, (скорость перехода зависит от наличия необходимых для этого процесса условий (температура, влажность, аэрация, реакция почвы, степень окультуренности почвы)), в почве образуется азотная кислота, освобождается соляная или серная. В почве они нейтрализуются. Нейтрализация сопровождается использованием бикарбонатов почвенного раствора и вытеснением оснований из ППК водородом, это повышает кислотность почвы. Однократное внесение аммонийных удобрений может не повлиять на кислотность, однако, их постоянное применение сопровождается заметным подкислением. Изменение реакции почвы от внесения сульфата аммония вызывается и его физиологической кислотностью. Из сернокислого аммония растения быстрее поглощают катионы, а в почве накапливаются кислотные остатки, которые подкисляют её. Особо заметно подкисление наблюдается на дерново-подзолистых почвах при систематическом внесении удобрений (А.В. Владимироров, 1934).
Эффективность использования аммонийных удобрений зависит, в первую очередь от степени кислотности, буферности почв и биологических особенностей сельскохозяйственных культур: растения менее чувствительные к кислой реакции слабее реагируют на подкисление почвы. Их вносят преимущественно до посева в качестве основных, причём вносить можно весной и осенью, не опасаясь вымывания азота. Вносить следует под культуры, менее чувствительные к кислой реакции почвы, т.к. они слабее реагируют на подкисляющее действие, в отличие от чувствительных культур, которые будут страдать при многократном применении аммонийных удобрений (П.А. Баранов, 1961).
Нитратные удобрения.
К этой группе относят удобрения, содержащие азот в нитратной форме – натриевая и кальциевая селитры – NaNO3 (16 – 16,5% азота), Ca(NO3)2. Их можно повсеместно применять на разных почвах и под все культуры. При внесении в почву селитры быстро растворяются, катионы Na + и Ca + вступают в обменные реакции с ППК и переходят в обменно-поглощённое состояние. Анион NO3 образует с вытесненными из ППК катионами растворимые соли или азотную кислоту. Он может связываться в почве только путём биологического поглощения, что наблюдается в тёплое время года, поэтому нитратные формы удобрений не следует вносить осенью, особенно в районах с промывным водным режимом, кроме того, нитраты долго сохраняют высокую подвижность в почве и в условиях влажного климата могут легко вымываться. Это следует учитывать при использовании нитратных форм удобрений, поэтому их предпочтительно применять весной под предпосевную культивацию и в подкормки растений во время вегетации. Натриевую селитру можно вносить и в рядки с семенами, особенно благоприятно она действует на корнеплоды и, в частности, на сахарную свёклу, а кальциевая хорошо подходит для подкормки озимых. Данные удобрения являются физиологически щелочными, т.к. часть катионов Na и Ca остаются в почве и подщелачивают её. Длительное применение селитр на кислых дерново-подзолистых почвах оказывает нейтрализующее действие, систематическое внесение на лёгких почвах заметно снижает их кислотность. Поэтому на дерново-подзолистых почвах они более эффективны, чем физиологически кислые аммиачные удобрения. Но на чернозёмах они теряют своё преимущество, также не рекомендуется вносить натриевую селитру на солонцах и засолённых почвах (Д.А. Филимонов, 1976).
Общий запас азота в почве и тем более содержание в ней минеральных соединений азота постоянно изменяются в связи с расходованием азота, с одной стороны, и его пополнением — с другой.
Расходование азота из почвы происходит в результате использования его растениями и выноса с урожаями, а также вследствие непроизводительных потерь его из почвы из-за эрозии, вымывания и денутрификации.
При водной и ветровой эрозии вместе с частицами почвы уносятся и находящиеся в ней гумусовые вещества, что приводит к обеднению почвы гумусом и общим азотом. В результате эрозии теряются преимущественно недоступные для непосредственного питания растений органические соединения азота (гумусовые вещества и др.). Содержание в почве минеральных форм азота уменьшается в результате процесса их иммобилизации — превращения NH4+ и NO3- в органическую форму (в белок тел микроорганизмов). Наибольшее отрицательное значение имеют безвозвратные потери усвояемого азота из почвы вследствие вымывания нитратов и их разрушения в результате денитрификации.
Вымывание нитратов из почвы осадками и дренажными водами — распространенное явление. Нитратный азот (NО3) не образует в почве каких-либо малорастворимых солей и не поглощается отрицательно заряженными почвенными коллоидами, поэтому нитраты находятся преимущественно в почвенном растворе. Приобретая в связи с этим высокую подвижность, они легко передвигаются в почве, причем происходит как вертикальная их миграция до грунтовых вод с нисходящим током воды, так и горизонтальная — с поверхностным и внутрипочвенным стоком, особенно рано весной и осенью. Размеры вымывания нитратов зависят от погодных условий, системы обработки почвы, а также от того, занято ли поле растительностью или находится под паром. В паровом поле в увлажненных районах обнаруживаются заметные потери нитратов. Если же почва покрыта растительностью, то нитраты предохраняются от вымывания вследствие поглощения корнями и уменьшения промывания в задернелой почве. Поэтому в период вегетации вымывание нитратов из почвы обычно незначительно, оно происходит в основном весной и осенью в отсутствие растений.
Потери азота происходят при поглощении растениями и выноса с урожаем из-за эрозии, вымывания и денутрификации. При водной и ветровой эрозии происходит вынос гумуса, а с ним и потери азота, хотя он и недоступен для растений. Также потери происходят при иммобилизации азолта в телах микроорганизмов. Но наибольшие потери происходят при вымывании азота нитратов и денитрификации. Причём потери больше в парах чем в на занятых полях. Чтобы избежать сильных потерь необходимо регулировать орошение чтобы эти воды не доходили до грунтовых, тогда при высыхании нитраты будут подниматься к поверхности. Также важно знать что если нитраты попадат в воды то происзойдёт их загрязнение. В настоящее время (учебник 1982 года) в почвы с навозом вносятся только 20% азота от общего выноса. Также азот потребляется и расходуется в биологическом круговороте. Так например автотрофные фиксатора и фотосинтезирующие анаэробы приносят 20-50 кг/ га азота в год, несимбиотические фиксаторы 3-5 кг/га в год (у риса до 60-70кг). Симбионты клевера привносят 150 кг/га , а люцерны – 250-300 кг/га в год. В целом 70-75 % азота в урожае прдеставлено биологическим азотом.
44.Эффективность применения азотных удобрений в различных почвенно-климатических зонах.
Особенно эффективны азотные удобрения в обеспеченных влагой районах Нечернозёмной зоны ( дерново-подзолистые почвы, так же серые лесные, и даже чернозёмы выщелоченные западных областей). На дерново-подзолистых и серых лесных внесении Р и К без N не даёт существенного эффекта. 60% прибавки урожая на этих почвах принадлежит азоту. При движении с С на Ю и с З на В, т.е. в р-х недостаночного увлажнения, эфф-ть азота снижается. В степных р-х Чернозёмной зоны из-за высокого содержания азота и низкой влажности эфф-ть ниже чем в в Нечернозёмной и Лесостепной зонах. Но при накоплении влаги (снегозадержание например) умеренные дозы азота также принесут положительный эффект. Тоже самое произойдёт и при орошении. Так же применение азота является основной причиной получения высоких урожаев на серозёмах и других почвах р-в Средней Азии и Закавказья.
Классификация азотных удобрений. Твёрдые азотные удобрения, ассортимент, свойства, условия эффективного применения под различные культуры.
Аммонийные удобрения
Твёрдые аммиачные удобрения
Сульфат аммония[(NH4 )2SO4] содержит 20,5 -21% азоту и 24% серы. Это кристаллическая соль белого цвета, хорошо растворимая в воде, имеет незначительную гигроскопичность, почти не слеживается, хорошо рассеивается. Удобрение физиологически кислое. После внесения в почву аммоний поглощается почвой, которая ограничивает его потери. Сульфат аммония лучше всего применять для основного удобрения и заделывать на глубину расположения корней на нейтральных и щелочных грунтах. Вносят его под все культуры (особенно из семьи крестоцветных и рис, которые хорошо реагируют на серу).
Хлористый аммоний (NH4Cl) - побочный продукт во время производства соды. Это удобрение содержит 24-25% азота и около 67% хлора. Мелкокристаллическая, малогигроскопическая, растворимая в воде соль белого или желтоватого цвета. Удобрение физиологически кислое, взаимодействует с грунтом аналогично сульфата аммония. Учитывая высокое содержимое хлора, это удобрение лучше вносить осенью, чтобы хлор за осенне-зимний период вымылся в более глубокие пластов грунту. Хлористый аммоний не рекомендуется применять под культуры чувствительные к хлору (картофель табак, виноград).
Карбонат аммония, углекислый аммоний, (NH4)2CO3 Получается насыщением аммиачной воды углекислым газом с последующей отгонкой карбоната аммония при температуре 70-80 градусов. Нестойек на в-хе и в растворе. 21-24% азота. Представляет собой смесь с бикарбонатом и карбаматом аммония (бикарбонат более стойкий). Приёмы эффективного использования. Сульфат аммония и хлористый аммоний вносят преимущественно до посева в качестве основного удобрения, причём его можно вносить не только весной но и заблаговременно с осени, не опасаясь вымывания азота. Систематическое применение сульфата аммония на малобуферных дерново-подзолистых почвах приводит к их дальнейшему подкислению. Что приводит к снижению их эфф-ти. Для увел-я эфф-ти треб-ся известкование. Систематическое внесение навоза (повышает буферность) также увел-т эфф-ть. Ещё больший полодительный эфф-кт наблюдается при совместноми применении с фосфорными удобрениями. Но всё же селитры на кислых почвах использовать более эфф-но. Но на чернозёмах нитратные и аммонийные удобрения равны. Так же необходимо учитывать отношение к-ры к подкислению( те что малочувствительны будут слабее реагировать на подкисление среды сернокислым аммонием( овёс, рожи ,лён картофель)).В качестве подкормок лучшее действие оказывает селитра (особенно натриевая) а не аммиачные. Но в целом многое зависит от культуры. Так рис приспособлен к аммиачным удобрениям, сах. св. – одинаково относится к обоим удобрениям.
Жидкие аммиачные удобрения
Безводный аммиак (NH3 )- содержит 82% азота. Получают сжижением газообразного аммиака под давлением. По внешним виду - это бесцветная жидкость, которая на воздухе бурно кипит и быстро испаряется. Безводный аммиак имеет высокую упругость паров, поэтому его нужно сохранять в специальной таре, которая выдерживает высокое давление. Во время внесения в грунт превращается в газ, который растворяется в грунтовом растворе и образовывает гидроксид аммония (NH4OH), ионы которого обменно и необменно поглощаются грунтом.
Аммиачная вода(водный аммиак) (NH4OH) - водный 25- и 20%-и раствор аммиака; выпускается двух сортов с содержимым 20-16 % азота. Это желтоватая жидкость с запахом нашатырного спирта. Давление паров аммиачной воды незначительные, поэтому ее можно сохранять в обычных цистернах, однако герметичных и стойких против карозии. Удобрение биологически кислое, может испытывать нитрификации. Вносят аммиачную воду как основное удобрение и для подкорма пропашных культур с обязательным заделыванием в грунт.
Нитратные удобрения
К нитратным удобрениям принадлежат натриевая и кальциевая селитры, однако их выпускают в незначительных количествах.
Натриевая селитра (NaNO3) содержит 15-16% азота. Это белая или бурувато-жёлтая малокристаллическая соль, хорошо растворимая в воде. Имеет высокую гигроскопичность, поэтому может слеживаться. Удобрение физиологически щелочное. При внесении в грунт нитратный азот остается в грунтовому растворе, а натрий поглощается ППК.
Эта форма азота легко усваивается растениями, однако может вымываться и теряться. Натриевую селитру лучше вносить во время сева и для подкорма на кислых грунтах под культуры, чувствительные к натрию (сахарная свекла и корнеплоды).
Кальциевая селитра [Ca(NO3)2] содержит около 15% азота. Получают во время нейтрализации азотной кислоты известью. В обычном состоянии - кристаллическая соль белого цвета, хорошо раскрытая в воде. Очень гигроскопическая и даже при нормальных условиях хранения быстро теряет свои свойства (плывет). Для устранения этого недостатка ее гранулируют, хотя это мало улучшает ситуацию. Удобрение физиологически щелочное. Особенности применения такие же как и натриевой селитры
Аммонийно-нитратные удобрения
Аммиачная селитра (NH4NO3) - одно из наиболее распространенных азотных удобрений. Содержит 34% азота (50% в форме NH 4 + и 50% в форме NO3 -- ). Получают нейтрализацией азотной кислоты аммиаком. Это физиологически слабая кислая соль белого или кремового цвета, который легко растворяется в воде. Выпускают преимущественно в гранулированном виде. После внесения в грунт аммоний поглощается грунтовым впитывающим комплексом, который снижает его подвижиность, частично испытает на себе нитрификацию. Нитратная форма азота образовывает легкорастворимые соли, которые могут вымываться в более глубокие пластов грунту, т.е. теряться. Это свойство аммиачной селитры ограничивает ее внесение для основного удобрения на легких грунтах.
Аммиачную селитру считают универсальным удобрением. Ее применяют разными способами под все культуры. Она является незаменимым удобрением для подкорма озимых и пропашных культур и для внесения в междурядья. Работая с аммиачной селитрой, треба помнить, что это удобрение огне- и взрывоопасное. Очень гигроскопична.
Амидные удобрения
Мочевина (карбамид)(CO(NH2)2 )) – наиболее концентрированное твердое азотное удобрение с содержимым азота 46%. Это кристаллическое или гранулировано вещество белого цвета, малогигроскопическая, почти не слеживается во время хранения, имеет высокую сыпучесть, хорошо рассевается. Добывают удобрение взаимодействием аммиака с углекислым газом за температуры 185-200°С и давления 180-200 атмосфер:
В почве под действием уробактерий, которые выделяют фермент уреазу, мочевина быстро амонифицируеться и превращается в карбонат аммония.
Она также эффективная на кислых и слабокислых грунтах. Часть аммония во время вегетации может испытывать нитрификации, вследствие чего образовывается незначительное количество нитратного азота, который легко поглощается растениями. При таких условиях реакция изменяется и происходит незначительное биологическое подкисление
После усвоения растениями всего азота от мочевины в почве не остается ни кислых, ни щелочных остатков и реакция грунтового раствора не изменяется
В последнее время доказано, что органическая форма азота мочевины может частично усваиваться растениями без предыдущего преобразования на другие формы
Мочевину можно применять на всех типах почв под все культуры. Кроме того, это лучше удобрение для внекорневого подкорма озимых и яровых зерновых культур. Внесение раствора мочевины даже в повышенных концентрациях ( 1-5%), в отличие от других азотных удобрений, не приносит ожогов у растений и оказывает содействие повышению содержимого белка и клейковины в зерне. В животноводстве мочевину используют как кормовую добавку
Образовавшиеся в почве минеральные соединения азота не накапливаются в ней в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в органическую форму. Внесение азотных удобрений не только значительно увеличивает содержание азота в почве, но и способствует усилению минерализации органического азота. Как показали исследования, проведенные с использованием стабильного изотопа азота 15 Nв полевых условиях растения усваивают из удобрений 40–50 % азота. В органической форме в почве закрепляется 10–20 % азота нитратных и 30–40 % аммиачных и аммонийных соединений и мочевины. Превращение азота в органические формы резко возрастает при запашке в почву органических веществ с низким содержанием азота (пожнивные растительные остатки, солома злаковых и соломистый навоз). Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому действие азотных удобрений в последействии незначительно–2–3 %.
Для закрепления нитратного азота в почве особое значение имеет биологическое его поглощение (микроорганизмами, растениями). Нитраты могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками, дренажными водами. Из связных по гранулометрическому составу почв обычно вымывается с 1 га 3 –5 кг, из легких, особенно если это пар,–до 20–30 кг. В основном теряется газообразный азот. Потери азота из аммиачных удобрений составляют около 20 %, нитратных–до 30 % от внесенного.
Для снижения потерь азота почвы и удобрений из-за денитрификации и вымывания нитратов используются ингибиторы, которые тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме.
При поверхностном внесении твердых аммонийных удобрений и мочевины могут теряться и аммиачные формы азота. Однако при своевременной и правильной заделке удобрений в почву значительных потерь удается избежать.
Азот в почве пополняется за счет органических и минеральных удобрений, биологического азота, азота атмосферных осадков, азота, поступившего с семенами. В настоящее время в Беларуси с органическими удобрениями в почву возвращается только 35 –40 % азота, выносимого возделываемыми культурами.
Связывание молекулярного азотавоздуха происходит двумя способами. Небольшое количество связанного азота образуется в атмосфере во время грозовых разрядов и в форме азотистой и азотной кислот поступает в почву с осадками (до 3–5 кг на 1 га). Второй способ–усвоение азота воздуха свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами почвы (азотобактер, клостридиум), ризосферными микроорганизмами (ассоциативная азотфиксация), клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых. На основе азотбактера (свободноживущего азотфиксатора) методами генной инженерии в Институте генетики и цитологии НАН Республики Беларусь создан бактериальный препарат ризофил. В государственных испытаниях этот препарат при замене 21 % азота удобрений биологически фиксированным азотом повышал урожайность томатов и огурцов в среднем на 26 %.
Объемы биологического азота, продуцируемого свободноживущими микроорганизмами почвы, весьма значительны и в зависимости от количества органических удобрений и корневых и пожнивных остатков растений, почвенно-климатических условий могут составлять 15–50 кг/га и более. Основная масса биологического азота остается в почве и включается в состав гумуса.
Высокие дозы минеральных удобрений (более 60 кг/га) резко снижают продуктивность свободноживущих микроорганизмов. Депрессия длится 2–2,5 мес после внесения удобрений, затем уровень азотфиксации восстанавливается. В почвах с высоким содержанием гумуса (больше 2,5%) депрессия не наблюдается.
Значительно большее, чем ассоциативные азотфиксаторы, значение для пополнения почвы азотом имеют клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями. Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений. Так, клевер при хорошем урожае может накапливать 150 – 250 кг азота, однолетние зернобобовые – 150 – 200, люцерна – 250 – 350 кг на 1 га. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных и корневых остатках и после их минерализации может использоваться культурами, следующими в севообороте после бобовых. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, люцерна на каждый ц основной продукции (зеленая масса) усваивает из атмосферы за вегетацию 0,40 кг, клевер – 0,35, люпин (зерно) – 5,0, горох, пелюшка, соя (зерно) – 2,5, многолетние бобово-злаковые смеси на пашне (зеленая масса) – 0,20 кг азота.
Процесс связывания молекулярного азота из атмосферы азотфиксирующими микроорганизмами выяснен еще не в полной мере. В настоящее время большинство исследователей придерживается мнения, что восстановительный путь фиксации молекулярного азота (через аммиак) при различных вариантах промежуточных этапов является наиболее обоснованным. Основным ферментом, осуществляющим процесс азотфиксации является нитрогеназа. У бобовых культур нитрогеназа находится в клубеньковых бактериях, приобретающих внутри клубенька форму бактероидов.
У большинства микроорганизмов нитрогеназа инактивируется кислородом, причем Fe-белок более чувствителен к кислороду, чемMo-Fe-белок. Для реакции восстановления азота необходимо наличие нитрогеназы, АТФ, источника электронов и ионовMg 2+ . Процесс биологической фиксации азота сопряжен с гидролизом АТФ, при этом образуется АТФ с ионами магния. Большинство исследователей считают, что на фиксацию 1 молекулы азота затрачивается 15 молекул АТФ. Предложена гипотетическая схема ступенчатого восстановления азота до аммиака через диимид и гидразин (Харди) и другие гипотезы.
Биохимия нитрогеназы окончательно неясна до тех пор, пока не будут описаны реакции на молекулярном уровне. Недостаточно изучено, как энергия от гидролиза АТФ сочетается с переносом электронов к нитрогеназе, как происходит комплексование и восстановление молекулы азота, не до конца ясен механизм участия в этом процессе металлов, в том числе молибдена.
К настоящему времени уже сложилось вполне определенное представление о процессах, происходящих в биологических системах при фиксации молекулярного азота. Однако необходимо дальнейшее изучение биологических восстановителей азота, промежуточных продуктов фиксации, локализации этого процесса и его структурной организации. Проблема фиксации молекулярного азота азотфиксирующими микроорганизмами комплексная: она затрагивает микробиологию, агрономическую и биологическую химию, физику и химию, молекулярную биологию, а также молекулярную генетику.
Для повышения азотфиксирующей способности бобовых культур применяют бактериальное удобрение Сапронит. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, обработка семян бобовых Сапронитом дает прибавку зерна бобовых культур (люпина, гороха, вики, кормовых бобов) 1,5–3 ц/га, сена клевера–2–5, люцерны–5–12 ц/га. Более эффективен Сапронит на легких почвах, в которых менее активна природная популяция азотфиксаторов.
Активизации биологической азотфиксации способствуют известкование кислых почв, оптимизация фосфорного и калийного питания растений, внесение физиологически оправданных доз минерального азота или его полное исключение. Оптимальными для люцерны, клевера, гороха, вики, кормовых бобов является пятая группа кислотности, для люпина и сераделлы –четвертая. Наиболее эффективен Сапронит на почвах четвертой–пятой групп по обеспеченности фосфором. Максимальную прибавку от Сапронита бобовые культуры давали при внесении 20–40 кг/га минерального азота, при увеличении дозы до 60 кг/га она была вдвое меньше и практически отсутствовала при внесении 90–120 кг/га азота. Поэтому при интенсивной системе земледелия внесение азотных удобрений под бобовые культуры, как правило, не рекомендуется.
Определенный вклад в обеспечение азотного питания сельскохозяйственных культур вносит несимбиотическая азотфиксация. Для дерново-подзолистых пахотных почв Беларуси средний норматив, по данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, составляет 15 кг/га в год.
Несмотря на значительную фиксацию азота бобовыми культурами, в среднем этот источник азотного питания пока невелик –4–6 кг/га в расчете на всю посевную площадь страны. Небольшое количество азота (около 3 кг/га) поступает с семенами. Суммарное поступление азота из всех источников не компенсирует выноса его урожаями сельскохозяйственных культур и потерь из почвы из-за вымывания и денитрификации. Поэтому для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции большое значение имеет внесение в почву минеральных азотных удобрений.
Читайте также: