Круговорот азота в земледелии

Минеральные соединения азота не накапливаются в почве в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в органическую форму.

Азотные удобрения усиливают минерализацию почвенного органического вещества и значительно увеличивают усвоение растениями азота из почвы. До недавнего времени считалось, что растения используют 70−80% азота удобрений. Коэффициент использования растениями азота удобрений определялся разностным методом — по разнице в выносе азота с урожаем при внесении азота и без внесения, выраженный в % внесенного количества N удобрения. При этом допускалось, что растения в том и другом случае усваивают одинаковое количество азота из почвы. Применение в агрохимических исследованиях метода меченых атомов (в опытах использовали соединения азота, меченные стабильным изотопом азота 15N) позволило установить, что в полевых условиях растения усваивают непосредственно из удобрений лишь 30−50% азота. Однако при внесении азотных удобрений усиливается минерализация почвенного азота и усвоение его растениями. Коэффициенты использования азота различных форм азотных удобрений существенно не различаются, за исключением экстремальных условий их применения. Показано также, что 10−20% азота нитратных и 30−40% аммиачных, аммонийных удобрений и мочевины закрепляется в почве в органической форме. Превращение азота в органическую форму резко возрастает при запашке в почву органического вещества с низким содержанием азота (пожнивные растительные остатки, солома злаковых и соломистый навоз). Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому последействие азотных удобрений незначительно.

Следовательно, одновременно с минерализацией органического вещества в почве происходит закрепление минеральных соединений азота вновь в органическую форму. Но при этом азот не теряется, а лишь временно переходит в недоступные растениям соединения. Соотношение процессов минерализации и новообразования органических азотосодержащих веществ имеет важное значение в азотном режиме почв.

Для закрепления нитратного азота в почве особое значение, как уже отмечалось, имеет биологическое поглощение. Нитраты легко передвигаются в почве и могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками и дренажными водами. Вымывание нитратов из тяжелых почв под растениями обычно незначительно (в среднем 3−5 кг с 1 га). Однако на легких, особенно парующих, почвах в увлажненных районах, а также в условиях орошаемого земледелия такие потери могут достигать значительных величин (до 30−50 кг на 1 га и более).

Потери азота почвы и удобрений в основном происходят вследствие денитрификации — процесса восстановления нитратного азота до свободного молекулярного азота (N2) или до газообразных окиси и закиси азота (NO и N2O). Биологическая денитрификация осуществляется группой денитрифицирующих бактерий и особенно интенсивно идет в анаэробных условиях и щелочной реакции почвы при наличии богатого клетчаткой органического вещества. Биологическая денитрификация протекает и в обычных условиях реакции среды, аэрации и увлажнения, поскольку в почвах неизбежны анаэробные микрозоны, а диапазон благоприятной реакции для развития денитрификаторов довольно широкий. Косвенная, или «хемоденитрификация» связана с образованием газообразных окислов азота и молекулярного азота при химическом взаимодействии промежуточных продуктов нитрификации (нитритов и гидроксиламина) с NH4+, аминокислотами и с органическим веществом почвы, а также в результате разложения азотистой кислоты (особенно при кислой реакции) до NO. Потери азота при денитрификации нитратов, образующихся при нитрификации аммиачного азота почвы и вносимых аммиачных азотных удобрений и мочевины, а также из нитратных азотных удобрений, весьма существенны. Исследования с применением 15N показали, что потери азота аммиачных удобрений составляют около 20%, а нитратных — до 30% и более внесенного количества. Потери азота удобрений резко возрастают в парующей почве и достигают 40−50%,.

Следовательно, в круговороте азота в земледелии процессы нитрификации наряду с положительной играют и отрицательную роль, так как образующиеся нитраты могут вымываться и теряться из почвы в виде газообразных продуктов при денитрификации. Один из путей снижения потерь азота почвы и удобрения вследствие денитрификации и вымывания нитратов — применение ингибиторов нитрификации. Эти препараты тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме. Особенно эффективно использование ингибиторов нитрификации в районах орошаемого земледелия под хлопчатник и на рисовых плантациях, а также на легких почвах в зоне достаточного увлажнения.

При поверхностном внесении твердых аммонийных удобрений и мочевины могут происходить потери азота в форме аммиака, особенно на карбонатных и щелочных почвах. Однако заделка удобрений в почву практически устраняет такие потери. Потери азота значительно уменьшаются при правильном применении органических и минеральных удобрений в сочетании с рациональной системой обработки почвы и орошения.

Азот, усвоенный растениями, лишь частично снова возвращается в почву с навозом, та же часть азота, которая содержится в товарной продукции (зерно, волокно льна, клубни картофеля и т. д.), отчуждается из хозяйства.

Чтобы получать высокие, устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур, необходимо постоянно заботиться о пополнении запасов азота в почве. Единственным естественным источником пополнения запасов азота в почве является азот атмосферы.

В атмосфере над каждым гектаром почвы находится около 80 тыс. т азота, но молекулярный азот воздуха недоступен для большинства растений (кроме бобовых) в природных условиях.

Связывание молекулярного азота воздуха и пополнение запасов азота в почве происходит двумя путями. Небольшое количество связанного азота (до 3−5 кг на 1 га) образуется в атмосфере под действием грозовых разрядов и в виде азотистой и азотной кислоты поступает в почву с осадками. Большее значение для питания растений имеет фиксация азота воздуха азотфиксирующими микроорганизмами, свободно живущими в почве (азотобактер, клостридиум и др.), и клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями (биологический синтез азота).

Свободноживущие азотфиксаторы ассимилируют до 5−10 кг азота на 1 га. Размеры симбиотической азотфиксации зависят от вида бобового растения. Так, клевер может накапливать 150−160 кг азота, люпин — 100−170, люцерна — 250−300, соя — 100, горох, вика и фасоль — 70−80 кг на 1 га. Примерно 1/3, связанного бобовыми азота остается в пожнивных и корневых остатках и после минерализации может использоваться культурами, следующими в севообороте после бобовых.

В среднем на 1 т сена (содержащую 25−30 кг азота) в корневых и послеукосных остатках содержится и поступает в почву 10−15 кг азота. Вклад биологического азота в азотный баланс определяется площадью, занимаемой многолетними бобовыми травами и их урожаем, от которого зависит количество азота, оставляемого в почве в корневых и послеукосных остатках. Если площадь, занятая бобовыми травами, составляет 10% общей посевной площади, а урожай сена равен 4 т с 1 га, то ежегодное поступление в почву азота на 1 га посевов бобовых составит 40−60 кг, а в среднем на 1 га всей посевной площади — 4−6 кг.

Следовательно, суммарное поступление азота за счет указанных выше источников далеко не компенсирует выноса азота урожаями сельскохозяйственных культур и потерь его из почвы в результате вымывания и денитрификации. Поэтому для получения высоких урожаев всех сельскохозяйственных культур и повышения качества урожая громадное значение имеет внесение в почву минеральных азотных удобрений, получаемых путем искусственного синтеза из азота воздуха на химических заводах.

На большинстве почв и особенно в достаточно увлажненных районах на дерново-подзолистых, серых лесных и выщелоченных черноземах, а также при орошении на сероземах и других почвах азотные удобрения имеют решающее значение в повышении урожаев. Они дают наибольшие прибавки урожайности. По данным многих полевых опытов, азотные удобрения дают в этих районах около 60% общей прибавки урожая, получаемой от полного минерального удобрения (NPK). Их применяют под все культуры, за исключением бобовых, потребность которых в азоте обеспечивается за счет фиксации азота воздуха клубеньковыми бактериями.

Азотные удобрения подразделяются на четыре группы:

Нитратные удобрения (селитры), содержащие азот в нитратной форме, — NaNO3, Ca (NO3)2.

Аммонийные и аммиачные удобрения, содержащие азот соответственно в аммонийной или аммиачной форме, — (NH4)2SО4, и жидкие азотные удобрения (безводный аммиак и аммиачная вода).

Аммонийно-нитратные удобрения, содержащие азот в аммонийной и нитратной форме, — NH4N03.

Удобрение, содержащее азот в амидной форме, — CO (NH2)2.

Производство различных азотных удобрений основано главным образом на получении синтетического аммиака из молекулярного азота и водорода. Азот получают пропусканием воздуха в генератор с горящим коксом, а источником водорода служат природный газ, нефтяные и коксовые газы. Из смеси N2 и Н2 (в отношении 1:3) при высокой температуре и давлении в присутствии катализаторов получают аммиак:

Синтетический аммиак используют не только для производств аммонийных солей, но и азотной кислоты, которая идет для получения аммонийно-нитратных и нитратных удобрений.