Экологическое земледелие с основами агрохимии. Учебное пособие

2 Агрохимические средства, применяемые в земледелии

2.1 Понятие удобрения и их классификация

Важность и необходимость производства минеральных удобрения обусловлена стремительным ростом населения планеты в совокупности с ограниченными ресурсами земли, пригодных для выращивания тех или иных культур, а также постепенным истощением плодородия почв.

Удобрения – вещества органического и (или) минерального происхождения,

используемые для улучшения питания растений и мобилизации, воспроизводства или повышения плодородия почв.

Роль удобрения в агроценозе:

-источники элементов питания растений;

-материальная основа для почвы, позволяющая ей выполнять свои экологические функции;

-повышение устойчивости растительного организма к неблагоприятным факторам среды;

-увеличение количества и улучшение качества урожая [35 - 37].

Удобрения могут быть прямого и косвенного воздействия. Удобрения прямого воздействия оказывают непосредственное влияние на растение (улучшают питание).

Вторая группа удобрений используется с целью улучшения свойств почвы

(физических, химических, водных и др.), повышает ее биологическую активность,

иммобилизует находящиеся в ней элементы питания. Кроме того иногда влияние удобрения может быть не только положительным но и отрицательным, например некоторые удобрения способны не только обогащать почву питательными элементами для растений, но и подкислять ее (сульфат аммония и др.).

Существует еще одно видовое разделение удобрений: на промышленного и местного производства. Группа промышленных удобрений – это все минеральные

21

удобрения, которые производят на специальных предприятиях, группа местных – непосредственно в местах их использования.

Наиболее важная классификация удобрений – деление по химическому составу.

По данному признаку они подразделяются на органические и минеральные.

Минеральные удобрения – неорганические соединения (ископаемые или промышленные), содержащие элементы питания для растений в форме минеральных солей (иногда в составе органических соединений).

Органические удобрения – вещества растительного или животного происхождения (свежие или переработанные), используемые для питания растений и улучшения плодородия почв [39].

Вобособленную группу можно отнести бактериальные удобрения,

представляющие собой препараты, содержащие определенную культуру микроорганизмов, оказывающих положительное воздействие на состав почвы и как следствие улучшение питания растительного организма.

В зависимости от возможного влияния удобрения на реакцию почвы выделяют:

-кислые – удобрения, анионы которых поглощаются менее активно, чем катионы и потому, первые, накапливаясь в почве способны ее подкислять, почвенный раствор;

-нейтральные – удобрения, не изменяющие реакцию почвенного раствора;

-щелочные удобрения – удобрения, катионы которых накапливаются в почве,

аанионы напротив активно ассимилируются растениями [35 - 37].

Минеральные удобрения принято классифицировать на простые

(моноудобрения, однокомпонентные), включающие только один элемент питания, и

сложные (многокомпонентные, комплексные), состоящие из комплекса элементов питания.

По физическому состоянию удобрения могут быть жидкие и твердые, в виде порошка или гранулированные.

Из минеральных удобрений растение потребляет определенное количество питательного элемента (действующее вещество). Содержание действующего вещества выражают в процентах массы: в азотных удобрениях в перерасчете на N, в

22

фосфорных – на P2O5, калийных – на K2O. Для перерасчета нормы удобрения с действующего вещества на физическую массу необходимо указанную часть N, P2O5

или K2O поделить на процент содержания действующего вещества в удобрении.

Например: доза 120 азота будет внесена в форме мочевины. Поскольку содержания азота в ней 46 %, то количество физической массы представляет: 120:46=2,6 ц.

Для сокращенного выражения состава той или иной марки комплексных удобрений принято обозначать содержание в них действующих веществ цифрами,

отделяемыми друг от друга знаками тире. Первая цифра означает процентное содержание азота (N), вторая – фосфора (P2O5), третья – калия (K2O). Действующие элементы, входящие в состав комплексных удобрений, сокращенно обозначают N, P, K. Например, N : P : K – 17 : 17 : 17. Соотношение действующих веществ в комплексных удобрениях также обозначают цифрами, при этом содержание азота принимают за единицу. Для удобрения приведенного выше состава, это соотношение будет 1:1:1 [35 - 37].

Более подробная классификация удобрений отражена на рисунке 12.

23

Рисунок 12 – Классификация удобрений

2.2 Минеральные удобрения

Из всего ряда жизненно необходимых химических элементов для растений наиболее часто наблюдается недостаток минеральных удобрений, а именно калия,

фосфора и азота. Этим и объясняется преобладание этих удобрений среди большой группы минеральных удобрений.

24

2.2.1 Азотные удобрения

Азот – наиболее потребляемый растением биогенный элемент. В сухом остатке растения содержится от 1 до 3 % азота, в белках – 16 – 18 %. При том очень высок уровень выноса азота вместе с урожаем.

Азот очень важен для растений, так как является составным элементом любого белка (от 16 до 18 %), входит в состав пигментов (хлорофилл), ферментов – ускорителей реакций, обеспечивающих нормальное развитие растений, на всех этапах вегетации. Недостаток приводит к появлению жёлто окрашенных листьев,

снижению синтеза белка, и как следствию ухудшению количественных и качественных показателей урожая.

Наиболее интенсивно азот усваивается растениями в первый год его внесения

(40 - 50 %). Во второй года усваивается всего лишь 2 – 5 %, это так называемый

«эффект последействия».

Естественными источниками азота для растений являются соли азотной кислоты и аммония, а также органические соединения азота и нитриты. Поглощения азота растениями возможно в виде катионов NH4+ или анионов NO3-.

Поступающие в растения нитраты восстанавливаются да нитритов и в последующем до аммиака [23, 24]:

НNO3¯→ НNO3¯→ (НNO)2→ NH2ОН → NH3

Процесс восстановления до нитритов требует в качестве фермента молибден,

до гипонитрита и гипокисламина – медь, железо, марганец, восстановление до аммиак – марганец. Конечный продукт процесса восстановления (NH3), в

последующем принимает участие в образовании аминокислот.

Синтез органических азотистых соединений до белка включительно происходит через аммиак, образованием аммиака завершается и их распад. Аммиак,

25

по образному выражению Д. Н. Прянишникова, «есть альфа и омега в обмене азотистых веществ в растениях» (рисунок 13).

Рисунок 13 – Превращение азотистых веществ в растениях (по Д. Н.

Прянишникову).

К факторам, обуславливающим чрезмерное накопление нитратов в конечной продукции растений можно отнести: избыточное азотное питание, недостаток углеводов, пасмурная погода. Растения-индикаторы на нитраты: салат, щавель. Ниже приведены данные о допустимых уровнях содержания нитратов в наиболее распространенной пищевой растительной продукции (таблица 5) [30].

Таблица 5 – Допустимые уровни содержания нитратов в растениях (мг/кг NО3)

Потери азота из почвы происходят в первую очередь с выносом урожая, также этому способствует выщелачивание нитратов грунтовыми водам, ветровая эрозия,

испарение в виде аммиака.

Содержание азота в гумусе равно 5 %, таким образом, зная количество общего азота, представляется возможным вычислить содержание гумуса. Для этого известное содержание азота необходимо умножить на 20.

Запасы общего азота в пахотном слое почвы находятся в пределах 1,5 – 15 т/га.

Однако оптимальные условия азотного питания растений определяются, прежде всего, наличием в почве минеральных форм соединений азота, так как именно они доступны растениям. Лишь незначительная часть азота в виде растворимых в воде амидов и аминокислот может усваиваться растением. Содержание минеральных соединений азота, которые принимают участие в питании растений, составляет лишь

1 – 3 %. Другая часть азота (97 – 99 %) содержится в форме сложных органических соединений, которые в разных почвах и с неодинаковой скоростью в процессе минерализации превращаются в доступные для растений формы – NH4+ и NO3.

Процесс преобразования соединений азота находящихся в органической форме в аммонийную форму при участии микроорганизмов и грибов называют

аммонификацией. Представить данный процесс возможно по следующей схеме:

27

органическое вещество → гумусные вещества, белки → аминокислоты, амиды

→аммиак (NH3) [35 - 37].

Белки расщепляются микроорганизмами до аминокислот, которые в последующем при участии специфических ферментов (дезамидаза, дезаминаза)

подвергаются процессам дезаминирования и дезамидирования. В результате чего выделяется аммиак и образует соли, связываясь с кислотами ((NH4)2, CO3, NH4NO3),

а также поглощаться почвенными коллоидами. Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными микроорганизмами. Наиболее типичные представители бактерий Ваcillus vulgare, Ваcillus subtilis, Васillus mesenteriesis, Васillus micoides,

плесневых грибов – Asperglli/lius, Penicillium, Trichodermа.

В присутствии кислорода (аэробная среда) аммонийные соли способны окисляться до нитратов. Процесс окисления аммиака до нитратов называется

нитрификация. Первая фаза процесса до азотистой кислоты, осуществляется бактериями родов Nitrosomonac, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitro-solobus и Nitrosovibrio, а вторая, завершающая стадия, до азотной кислоты – бактериями родов

Nitrobacter, Nitrospi-ra и Nitrococcus:

1)NH3 + 3O2 = 2NO2 + 2H2O

2)2HNO2 + O2 = 2HNO3

Образовавшаяся азотная кислота нейтрализуется бикарбонатом кальция или магния почвенного раствора или поглощенными основаниями:

Условия необходимые для нитрификации: аэробная среда, достаточная влажность (наилучшая – 60 % от капиллярной влагоемкости), оптимальная

28

температура (25 – 30 °С), нейтральная или слабокислая реакция среды.

Нитрификационная способность почвы является важным признаком ее плодородия.

Аммонийная форма азота в почве находится в обменной форме (обменно-

поглощенная почвенными коллоидами в почвенном растворе) и фиксированной

(поглощенная глинистыми минералами). Нитратная форма азота содержится в почвенном растворе и может легко вымываться в более глубокие слои почвы.

При отсутствии необходимых условиях для нитрификации (недостаток кислорода) и наличии в почве чрезмерного содержания слабоминерализованных остатков биоценоза может наблюдаться обратный процесс денитрификация –

восстановление нитратной формы азота до молекулярной, что приводит к потерям азота из почвы. Данный процесс можно представить в виде следующей схемы [28]:

Продукты данного процесса: нитроксил – HNO, гипонитритная кислота –

H2N2O2, нитрамид – NO2NH2 и гидроксиламин – NH2ОН. Если реакция среды будет щелочная то в данном процессе будет больше выделяться N2, чем NO.

При температуре ниже 10 °С денитрификация протекает слабо. Оптимальным для данного процесса является довольно высокий теморежим среды от 40 до 75 °С.

Денитрификаторами являются термофильные бактерии. Следует отметить, что кроме биологической денитрификации в почве возможна и хемоденитрификация:

Выделяют несколько основных групп азотных удобрений в зависимости от формы азота, которая в них находится (рисунок 14):

– нитратные, содержащие азот в окисленной форме в виде солей азотной кислоты (кальциевая селитра Ca(NO3)2, натриевая селитра NaNO3): физиологически щелочное удобрение, хорошо растворимо в воде. Кальциевая селитра содержит 17,5 % азота, натриевая 16 – 16,5%. Выпускаются в гранулированном или

29

кристаллическом виде. Ca(NO3)2 рекомендована как предпосевное удобрение,

подкормка для озимых культур, а также пастбищных территорий. NaNO3 применяют под корнеплоды хорошо отзывающиеся на натрий (сахарная свекла и др.);

– аммонийные – азот присутствует в виде иона аммония, связанного с какой-

нибудь кислотой (сульфат аммония (NH4)2SO4, хлористый аммоний NH4Cl):

физиологически кислые удобрения, содержит в среднем 24 % азота, ионы аммония довольно хорошо задерживаются почвой, поэтому можно вносить данные удобрения осенью.

–аммиачно–нитратные – азот присутствует одновременно в аммиачной и нитратной формах (аммиачная селитра NH4NO3): довольно концентрированное удобрение, содержание азота равно 34,1 – 34,8 %. Представляет собой соль белого цвета, хорошо растворимую в воде. Физиологически кислое удобрение. Выпускают в виде гранул. Возможно применение под все культуры растений при предпосевном внесении или в виде подкормок. Возможно представление удобрения в комплексе с мочевиной и концентрированного аммиака (жидкая форма), который называется аммиакат. Содержит азота от 30 до 50 %. Цвет желтого оттенка;

–амидные – азот находится в амидной форме (мочевина, карбамид CO(NH2)2,

цианамид кальция CaCN2): наиболее распространенное удобрение мочевина, с

концентрацией азота равной 46,2 %. Представлена белыми гранулами, хорошо растворимые в воде. Может применяться как основное удобрение и как подкормка;

– аммиачные – азот содержится в основном в виде свободного аммиака

(аммиачная вода, жидкий аммиак): удобрения жидкого агрегатного состояния;

содержание азота колеблется в зависимости от вида удобрения: аммиачная вода – 18

–20,5%, жидкий аммиак более концентрированный, содержит азота 82,3 %;

–карбамид–аммиачная смесь (КАС) (NH4NO3∙СО(NH2): водный раствор аммиачной селитры и мочевины. Содержание азота в удобрении 28 – 32 %. Применят в качестве основного удобрения и подкормок. Наиболее эффективно использование под зерновые [26 - 37].

30