Трансформация соединений азота

Обший запас азота в почве довольно велик. В пахотном слое дерново-подзолистых почв он достигает 4 т, в черноземах — 6—15 т/га. Основная часть азотного фонда находится в составе гумуса. Небольшое количество азота входит в другие органические соединения почвы (аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и т. д.), а также в минеральные соединения, преимущественно соли аммония и азотной кислоты. До 50—60 кг азота на I га заключено в клетках микроорганизмов, населяющих пахотный слой почвы.

Указанных запасов могло бы хватить для получения очень высоких урожаев на многие десятки лет. Однако поскольку основная часть азота почвы входит в состав гумусовых соединений, трудно разлагаемых микроорганизмами, сельскохозяйственные культуры обычно испытывают недостаток данного элемента. Кроме того, допускать уменьшение содержания гумуса в почве нецелесообразно, так как это снижает плодородие почвы.

Потребности сельскохозяйственных культур в азоте приходится удовлетворять минеральными и органическими удобрениями. Минеральные соединения вносят в основном в форме аммонийных и нитратных соединений, а также мочевины.

Некоторое количество аммонийных удобрений, а также аммония, накапливающегося при минерализации органических соединений, закрепляется почвенными минералами (иллитом, монтмориллонитом, вермикулитом и др.). Ион аммония входит в кристаллическую решетку глинистых минералов. Частично аммонийные соединения закрепляются необратимо. Обычно в почвах необменно фиксированного аммонийного азота бывает в два—четыре раза больше, чем обменных и водорастворимых его форм.

Растения и гетеротрофные микроорганизмы могут использовать до половины поглощенного аммонийного азота в процессах биосинтеза. Как образующийся в процессе аммонификации, так и внесенный с удобрениями, этот азот не переходит в почве в стабильные соединения. Под влиянием нитрифицирующих бактерий аммиачный азот окисляется до азотной кислоты. Часть его (4 — 18%) при нитрификации превращается в закись азота (N₂0). В виде газообразного аммиака азог может теряться в значительных количествах лишь в щелочных почвах.

Процесс нитрификации особенно наглядно проявляется в парующей почве, где летом накапливаются нитраты. Под посевами сельскохозяйственных культур соли азотной кислоты практически отсутствуют, так как они потребляются растениями и микроорганизмами ризосферы. Ранней весной и осенью нитратов мало даже в парующих почвах. Это связано с тем, что в холодную погоду соли азотной кислоты довольно энергично потребляются психрофильными микроорганизмами, а жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий при температуре ниже 8—10 °С проявляется очень слабо.

Следовательно, весной, когда в почве содержится мало минерального азота, целесообразно использовать азотные подкормки.

Д. Н. Прянишников показал, что нитраты и аммиак — равноценные источники азотного питания растений. Однако превращение солей аммония в азотную кислоту приводит к ряду нежелательных последствий. Так, нитраты не поглощаются почвенными коллоидами и могут вымываться из почвы, что особенно сильно проявляется в зонах повышенного количества осадков и на орошаемых почвах. Нитраты и нитриты могут также восстанавливаться бактериями и в виде газообразных продуктов теряться из почвы.

В почве возможна и «косвенная» денитрификация, когда потери азота происходят в результате некоторых химических реакций. Так, в кислой среде HN0₂, реагируя с аминокислотами, образует молекулярный азот. Этот процесс может быть представлен следующей схемой:

В кислой среде идет также саморазложение нитритов с образованием газообразных продуктов:

Возможно восстановление нитритов в почве при взаимодействии с органическими веществами, содержащими фенольные группы (в присутствии Fe⁺ или Мп²+), с образованием N0 и N₂0. При разнообразных микробиологических процессах в почве образуются оксимы (соединения с группой =N—ОН). Они реагируют с нитритами, причем образуется N₂0:

Таким образом, при восстановительных процессах, а также в некоторых химических реакциях из нитратов и нитритов могут образоваться N₂, N₂0, NO и N0₂. Некоторые из этих соединений, например N0₂, весьма реактивны. Поэтому газообразные потери азота из почвы происходят преимущественно в форме N₂ и N₂0. В почвенном воздухе всегда присутствует N₂0.

Вследствие отмеченных потерь, а также частичного биологического закрепления азотные удобрения используются сельскохозяйственными растениями не более чем на 40—50%.

Азот, закрепленный в микробных клетках, после их отмирания минерализуется и используется растениями. В общем убыль азота из почвы может быть весьма значительной. Так, в Великобритании на Ротамстедской опытной станции отмечено, чго при ежегодном унавоживании (около 36 т/га) пахотной почвы в результате вымывания и денитрификации в условиях влажного климата теряется в среднем около 60% внесенного с навозом азота.

Денитрификация, вызываемая микроорганизмами, обусловливает ббльшие потери азота, чем вымывание его соединений из почвы. Потери от этого процесса возрастают по мере увеличения в почве содержания нитратов. Повышенная влажность почвы усиливает восстановительные процессы и потери азота.

Свидетельством тому, что денитрификация связана с наличием в почве солей азотной кислоты, служит один из опытов /7. М. Смирнова, в котором в пойменную почву вносили аммонийную [(NH₄)₂S0₄| и нитратную ICa (N0₃)₂I соли. Одну партию почвы сохраняли в аэробных условиях, периодически аэрируя до нормального уровня (19—22% 0₂), другую помещали в анаэробные условия, что достигалось заменой ее газовой фазы на гелий. В аэрируемую почву вносили 27 мг азотных солей на 1 кг почвы, в анаэробно хранящуюся — 40 мг.

Анализ, проведенный через два месяца, показал, что потери азота из почв, удобренных нитратами, были значительно больше, чем в случае аммонийных удобрений (табл. 13).

На состав выделяющихся газов влияет форма азотного удобрения. Так, при внесении в почву (NH₄)₂S0₄ и нитрификации этой соли выделяется больше N0₂h меньше N₂, чем при восстановлении Ca (N0₃)₂. В анаэробных условиях часть N0₂ редуцируется до 1 М₂.

Таблица 13

Потери азота (%) при удобрении почв различными азотными удобрениями в зависимости от аэрации

Потери азота из удобрений существенно уменьшаются при использовании гранулированных и медленно растворяющихся удобрений. К ним относятся уреаформ (конденсат мочевины с формальдегидом), гранулированная мочевина с оболочкой из элементарной серы, уреа-зет (конденсат мочевины с ацетальдегидом), изобутилен-диуреа и т. д.

Гранулированные удобрения имеют меньший контакт с почвенной микрофлорой, деятельность которой подавляется дополнительно вносимыми с такими удобрениями веществами (формальдегид, сера и т. д.). Однако указанная форма удобрений ограничивает их использование из-за высокой цены и замедленного действия на растения. Хороших результатов можно достигнуть приближенным к посеву или дробным внесением удобрений и т. д.

Большое внимание сейчас уделяют применению веществ, задерживающих процесс нитрификации. Их использование особенно целесообразно при внесении в почву больших доз удобрений (аммонийных и мочевины). К подобным соединениям относят ряд цианидов, нитрои галла-анилиды, производные фенолов, хинолинов, хлорпиридины, пиримидины и др. Применение небольших доз этих соединений селективно подавляет нитрификацию, нс угнетая в то же время другие микробиологические процессы в почве.

Азотные соединения в форме нитратов частично вымываются в грунтовые воды, которые используются для водоснабжения. В нашей стране установлена предельно допустимая концентрация нитратов (ПДК) в питьевой воде, равная 10 мг/л. В странах Западной Европы и США эта норма значительно выше (45—50 мг/л).

Следует отмстить опасность накопления нитратов в пище и кормах. В зерне нитраты, как правило, нс аккумулируются, за исключением зерна ячменя. В овошах и фруктах, как и в зеленых кормах, концентрация нитратов иногда бывает весьма высокой. Пиша и корма с высоким содержанием нитратов вызывают отравления. В связи с этим следует воздерживаться от неоправданно высоких доз азотных удобрений.

Рассмотрим баланс азота в земледелии. Минеральные азотные удобрения позволяют быстро повышать урожаи, действуя практически в год внесения в почву. Под зерновые культуры в среднем вносят около 30 кг/га минеральных азотных удобрений в год. На I га пашни приходится также 14 кг азота в форме органических удобрений. Как было отмечено выше, действие навоза растягивается обычно на три года. В первый год минерализуется не более 25% органических азотсодержащих соединений. Примерно аналогичным образом используются корневые и пожнивные остатки бобовых культур.

Из общего фонда азота зерновые на площади в 1 га получают 6 кг азота. Свободноживушис азотфиксаторы связывают на I га пашни около 20 кг азота. Допустим, что биологически закрепленный азот в первый год используется на 15%. В небольших количествах в почву поступает азот с высеваемыми семенами и осадками. Изложенные соображения позволяют сделать примерный расчет использования посевом зерновых культур азота из всех поступлений (табл. 14).

Таким образом, из внесенных на 1 га под зерновые культуры 80 кг азота растения усваивают около 30 кг. Примерно такое же количество азота остается в почве — это азот органических удобрений и корневых остатков, а также азот, ассимилированный микроорганизмами. Остальные 20 кг теряются в процессе денитрификации (около 15 кг) и вымываются из почвы (около 5 кг).

Количество азота, поступающего в почву под зерновые культуры и усваиваемого ими, кг/га

Для среднего урожая зерновых культур требуется около 70 кг доступного азота. Его поступления, как отмечалось, дают лишь 30 кг, остальные 40 кг берутся из почвы, в основном из минеральных форм азота, образующихся при распаде гумуса.

Большое число опытов свидетельствует, что наши пахотные почвы потеряли существенное количество гумуса — иногда до 30% и более. Это снизило потенциальное плодородие окультуренных почв. Часть минерализованного из гумуса азота вымывается из почвы и теряется в виде газообразных веществ в результате химических и микробиологических процессов. Такие потери предположительно достигают 15 кг/га. Следовательно, из поступающих в почву источников азота и в результате распада гумуса потери достигают 35 кг азота на I га.

Чтобы восполнить или хотя бы не терять имеющиеся запасы гумуса, необходимо использовать повышенные дозы минеральных и органических удобрений, а также большое внимание уделять культурам бобовых растений, которые не только обогащают почву азотом, но и дают корм, богатый белком.