2.11. Режимы основных элементов питания растений и их регулирование
2.11.1. Азот
Азот и его соединения играют в жизни биосферы, в формировании почвенного покрова и плодородия почв такую же важную роль, как и углерод. Около 80% запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты. Большое количество азота содержит биосфера в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (1,5∙1011 т), в биомассе растений (1,1∙109 т), в биомассе животных (6,1∙107 т). В больших количествах азот содержится в биогенных ископаемых.
Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония доля минеральных соединений азота в почве невелика, что создает проблему обеспечения культурных растений азотом. Ее решение сопряжено с применением азотных удобрений, но оно порождает энергетические и экологические проблемы. Производство азотных туков чрезвычайно энергоемкий процесс, одна тонна связанного азота по затратам энергии эквивалентна трем тоннам нефти. Из энергетических затрат на производство всех удобрений 90% приходится на производство азотных туков. Экологические издержки промышленного производства удобрений умножаются загрязнением окружающей среды при их применении, часто весьма несовершенном. В связи с этим оптимизация режима азота в агроэкосистемах и в целом в ландшафтах приобрела особо актуальное значение. Ее решение возможно лишь на основе отчетливых представлений о процессах трансформации азота в почвах и всех составляющих его круговорота.
Общая картина круговорота азота на Земле представлена на рис…
Основными составляющими круговорота азота в экосистемах и агросистемах являются: поступление из органического вещества почвы в результате минерализации (аммонификации, нитрификации), биологическая фиксация атмосферного азота, поступление с атмосферными осадками, поступление с минеральными и органическими удобрениями, семенами при посеве сельскохозяйственных культур; потребление растениями (в том числе вынос азота с урожаем и поступление в почву с растительными остатками), иммобилизация микроорганизмами на растительных остатках, потери вследствие денитрификации и миграции за пределы корнеобитаемого слоя.
Рис.... Круговорот азота на Земле
Рассмотрим основные статьи баланса азота.
Минерализация органического азота. Основной источник поступления азота в почву – органическое вещество, в первую очередь легкоразлагаемое (растительные и животные остатки), в меньшей мере - гумусовые вещества. В результате разложения азотсодержащих соединений образуется аммиак. Этот процесс называется аммонизацией. Он осуществляется с помощью ферментов, выделяемых различными группами микроорганизмов: анаэробными бактериями, грибами и актиномицетами.
Высвобождение минерального азота из органического вещества зависит от соотношения в нем углерода к азоту. При отношении С:N < 20 в почве хорошо идут процессы минерализации азотсодержащих органических остатков, образование аммиака и его дальнейшее окисление до азотной кислоты. При отношении С:N >20 образующийся аммиак перехватывается микроорганизмами, разлагающими безазотистые органические вещества, и высшие растения ощущают недостаток усвояемого азота. При С:N > 30 в почве сильно выражена иммобилизация азота. Широкое отношение углерода к азоту указывает на то, что органическое вещество почвы еще не гумифицировано или слабо гумифицировано и оно богато энергетическим материалом для размножения микроорганизмов, которые будут успешно конкурировать с растением в поглощении доступных форм азота. Отношение С:N = 10—типично для сильно гумифицированного вещества, которое способно подвергаться лишь медленному разложению микроорганизмами.
При благоприятных условиях ион аммония подвергается нитрификации. Окисление аммония до нитритов осуществляется нитрозными бактериями (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nirospira), а дальнейшее окисление нитритов в нитраты – бактериями Nitrobacter. Эти бактерии автоморфные, то есть не нуждаются в готовом органическом веществе. Они синтезируют его из неорганических соединений. Источником углерода для них, как и для зеленых растений, служит углекислый газ. Но в то время как зеленые растения для расщепления молекулы воды используют солнечную энергию, бактерии-нитрификаторы получают энергию при реакции окисления аммиака. Наиболее интенсивно эти процессы протекают в условиях слабощелочной среды, при оптимальной температуре 25-35оС и хорошей аэрации почвы.
Биологическая азотфиксация. Фиксация азота из воздуха осуществляется двумя группами микроорганизмов: свободноживущими, использующими в качестве источника энергии органическое вещество почвы, и симбиотическими (клубеньковыми), использующими энергию фотосинтеза растений с которыми они сожительствуют. Из свободноживущих наибольшей азотфиксирующей способностью обладает азотобактер, в меньшей степени Clostridium pasteurianum. Этой способностью в той или иной степени обладает ряд других бактерий (некоторые фотосинтетические, сульфатвосстанавливающие и другие), а также сине-зеленые водоросли из семейства Nostocaclae и Calotrix.
Азотобактер развивается в аэробных условиях. По своему синтетическому положению азотобактер занимает среднее положение между сине-зелеными водорослями и бактериями, но большинством авторов относится к последним. Известны несколько его видов: Azotobacter choococcum, Azotobacter agile и др. Для нормального развития азотобактера необходимо наличие доступного органического вещества, фосфора, калия, кальция, серы, магния, железа, молибдена, бора, близкая к нейтральной реакция среды, хорошая аэрация почвы. Для ускорения фиксации молекулярного азота целесообразно применять бактериальные препараты приготовленные из местных рас азотобактера.
Crostridium pasteurianum развивается в анаэробных условиях.
Для обеспечения азотфиксации необходимо поступление в почву органического вещества, каковым могут быть растительные остатки, зеленое удобрение, солома, навоз. При внесении азотных минеральных удобрений данные микроорганизмы могут использовать их для построения своего тела без фиксации молекулярного азота. Свободноживущие в почве азотфиксирующие бактерии в благоприятных условиях связывают 25-40 кг атмосферного азота в год.
Значительно больший вклад в баланс азота вносят бактерии рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Различные виды растений имеют свой симбиотический Rhizobium. Фиксация азота осуществляется ферментом нитрогеназой, содержащей молибден. Тем самым определяется необходимость применения микроудобрений при дефеците этого элемента в почве. Для нормального развития клубеньков необходим бор. Он улучшает условия синтеза и транспортировки углеводов у высших растений и таким образом создает наилучшие предпосылки для симбиоза бобового растения с клубеньковыми бактериями.
За счет симбиотической азотфиксации может производится до 300 кг азота в год.
Поступление азота в почву из атмосферных осадков. В атмосфере при грозовых разрядах и фотохимическим путем образуется некоторое количество аммиака и азотной кислоты. Эти соединения увлекаются осадками и вместе с ними попадают в почву. Этим путем ежегодно может поступать в почву 6—15 кг азота, преимущественно в форме аммиака.
Приход азота в почву в составе удобрений. С органическими удобрениями в почву поступают соединения азота различной способности и минерализации. Наиболее сложным является процесс мобилизации азота из торфа, наиболее доступен азот сидеральных удобрений. Минеральные азотные удобрения представлены аммонийной, нитратной и амидной формами. Амидный азот растениям непосредственно не доступен, они могут его использовать после перевода в аммонийную форму под влиянием фермента уреазы. Процесс разложения мочевины осуществляется в течение 10-15 дней. В условиях интенсивного окисления на легких почвах эта форма удобрения предпочтительна с точки зрения уменьшения потерь на вымывание.
Азот минеральных удобрений потребляется культурными растениями, микроорганизмами и сорняками. Роль последних в балансе азота зависит от культуры земледелия. Чем она ниже, тем большую долю азота удобрений потребляют сорняки, тем выше экономические издержки. В тоже время следует подчеркнуть, что сорняки удерживают азот от потерь и уменьшают загрязнение окружающей среды.
Потери азота вследствие денитрификации. Денитрификацией называются процессы восстановления нитратов, в результате которых они переходят в нитриты, гидроксиламин, аммиак, молекулярный азот. Соответственно часть азота бесполезно теряется, улетучиваясь в атмосферу. Прямую денитрификацию вызывают ряд денитрифицирующих бактерий: Bact.denitrificans, Bact.stutzeri, Bact.fluorescens и др.
Денитрификация развивается при сокращении доступа кислорода в почву при переувлажнении.
Потери азота вследствие нисходящей миграции. Данное явление имеет распространение в районах с избыточным увлажнением, при орошении. Ион NO3- легко мигрирует по профилю почвы, достигая грунтовых вод. Данный процесс наблюдается и в степной зоне и не только при орошении, но и при неорошаемых условиях в паровых полях. Исследованиями в Зауралье, Сибири, Казахстане показано (В.И. Кирюшин, Г.И. Ткаченко, 1986), что при длительном использовании черноземов с чистым паром происходит миграция нитратов на глубину 3—5 м. Чем выше доля пара в севообороте, тем больше потери азота, особенно при интенсивной механической обработке паровых полей и недостаточном применении фосфорных удобрений. Потери азота за счет нисходящей миграции нитратов увеличиваются к югу черноземной зоны, где часто создается относительный избыток минерального азота по сравнению с тем его количеством, которое могут использовать зерновые агроценозы. В беспаровых севооборотах, не перегруженных удобрениями, подобных явлений во всех почвенных зонах не наблюдалось. В целом увеличение потерь гумуса и азота в почвах степной зоны связано прежде всего с расширением чистых паров при несовершенной системе ухода за ними.
Регулирование режима азота, так же как органического вещества осуществляется всеми средствами систем земледелия: рациональными севооборотами, обработкой почвы, удобрениями. При этом важнейшей задачей является обогащение почвы органическим веществом с целью создания условий для фиксации атмосферного азота и улучшения физических свойств почвы и создания оптимального водно-воздушного режима для предотвращения денитрификации.
Потребление растениями азота из различных слоев почвы. Традиционные представления об использовании азота из верхних горизонтов почвы существенно корректируются в последние годы, так же как и мощность слоя, по которому диагностируется обеспеченность растений азотом. Глубина потребления азота зависит от вида растений, глубины проникновения их корневой системы в зависимости от почвенных условий, динамики содержания азота в почве, водного режима, погодных условий.
В таежно-лесной зоне большинством авторов отмечено поглощения азота зерновыми культурами из слоя выше 60 см. В.В. Кидиным и а.Г. Замараевым (1989) показано заметное потребление азота ячменем из слоя 40-60 см и даже из слоя 60-80 см. В дерново-подзолистых и, тем более, подзолистых почвах глубина проникновения корней растений зависит от окультуренности почв, мощности пахотного горизонта и свойств подпахотных слоев. Фактором, сдерживающим развитие корневых систем растений является высокая кислотность переходных горизонтов, наличие токсичных количеств аммония в почвенном растворе.
На черноземах зерновые культуры активно используют азот из всего метрового слоя (табл...) и, по-видимому, из более глубоких слоев. Наибольшей способностью потреблять азот из глубоких слоев почвы обладают многолетние травы. При подборе культур в севооборотах важно учитывать эту различную способность ратсений, чтобы исключить или сократить потери нитратов вследствие нисходящей миграции.
Таблица
Урожайность яровой пшеницы и использование азот удобрения в зависимости от глубины его внесения
Глубина заделки азота удобрения, см |
Урожайность зерна, г/м2 |
Использование азота в % от внесенного |
Контроль (без удобрений |
162 |
-- |
10 |
177 |
15 |
20 |
196 |
17 |
40 |
226 |
17 |
50 |
235 |
14 |
60 |
194 |
15 |
80 |
200 |
12 |
100 |
196 |
12 |