Трансформация соединений азота и распределение его запасов в различных типах почв

Эффективность азотных удобрений напрямую зависит от того, в какой форме элемент находится в почве и как он трансформируется под влиянием микрофлоры. Растения усваивают только минеральный азот, однако подавляющая часть его почвенных запасов связана в органических соединениях. Понимание этих превращений помогает агроному точно рассчитывать дозы питания и прогнозировать их эффективность на конкретном поле.

• Азот в атмосфере (молекулярный) — 80%
• Органическая форма азота в почве — до 99%
• Кларк азота в почвах — 0,1%
• Средний кларк азота в растениях — 0,3%

Распределение запасов и формы азота в почвенном профиле

Основным источником азота в почве служит гумус: чем богаче почва гумусом, тем выше в ней содержание азота. Почвенный органический азот делится на три фракции: легкогидролизуемый, трудногидролизуемый и негидролизуемый остаток. В зависимости от типа почвы общие запасы азота и соотношение его форм существенно различаются. В таблицах ниже приведены усредненные показатели содержания этих форм для основных типов почв.

Соотношение гумуса и общего азота в пахотном слое различных типов почв:

Общие запасы азота в метровом слое и соотношение его фракций по типам почв:

Для полноты картины распределения элемента в биосфере стоит учитывать его кларки в других средах. В земной коре содержание азота составляет 0,02 %, в морской воде — 1·10^–5 %, а в телах животных достигает 3,1 %. Эти показатели подчеркивают уникальность почвы как главного накопителя органического азота на суше.

Биологический круговорот и этапы трансформации азота

Азот в биосфере находится в состоянии непрерывных циклических превращений, ключевую роль в которых играет почвенная микрофлора. Круговорот азота складывается из фиксации молекулярного азота воздуха, окисления и восстановления минеральных и органических азотсодержащих соединений. Меньшая удельная масса в этих превращениях приходится на чисто химические и физико-химические реакции. Весь цикл включает процессы азотфиксации, денитрификации, минерализации и иммобилизации.

Минерализация и иммобилизация определяют содержание в почве подвижных форм питательных веществ и условия питания растений. Процессы минерализации переводят азот органических веществ в хорошо доступную минеральную форму. Иммобилизационные процессы прямо противоположны им и трансформируют растворимые в воде соединения обратно в труднорастворимые формы. Минерализация органического азота в почве складывается из процессов аммонификации и нитрификации.

Азот органического вещества почвы до прохождения всех стадий минерализации остается полностью недоступным для растений. Превращение азотных соединений происходит при участии почвенных микроорганизмов и вырабатываемых ими ферментов. Ниже показана последовательность распада белков до аммиака в процессе аммонификации.

1. Расщепление белков: под воздействием ферментов протеиназ сложные белковые молекулы распадаются до полипептидов и олигопептидов.
2. Гидролиз пептидов: ферменты пептидазы превращают полученные пептидные цепочки в свободные аминокислоты.
3. Дезаминирование и дезамидирование: ферменты дезаминазы и дезамидазы разрушают аминокислоты и амиды, отщепляя свободный аммиак (NH3).
4. Образование аммония: выделившийся аммиак взаимодействует с почвенной влагой (NH3 + H2O = NH4OH) с образованием иона аммония (NH4+), который далее поглощается почвой или усваивается растениями.

Аммонификация и нитрификация: как органика превращается в доступный азот

Аммонификация — это распад органических азотсодержащих соединений с выделением аммиака. Этот процесс осуществляет обширная группа неспецифических почвенных микроорганизмов: аэробные и анаэробные бактерии, актиномицеты и плесневые грибы. Большинство из них всеядны (полифаги) и часто предпочитают углеводы белкам в качестве источника энергии.

Процесс протекает практически во всех почвах, но его скорость сильно зависит от условий внешней среды. В сильнокислых или щелочных условиях, а также при недостатке кислорода (в анаэробной среде) аммонификация резко замедляется. При этом дефицит воздуха напрямую влияет на состав продуктов распада: в аэробных условиях образуются аммиак, углекислый газ, вода, сероводород и соли фосфорной кислоты, а в анаэробных накапливаются токсичные для растений диамиды (птомаины).

Разложение аминокислот на примере простейшего глицина идет по нескольким направлениям с образованием муравьиной, уксусной кислот или метилового спирта. Выделяющийся аммиак далее вступает во вторичные реакции в почве. Он взаимодействует с кислотами, поглощается почвенными коллоидами, усваивается растениями или улетучивается в атмосферу в виде газа.

• CH₂NH₂COOH + O₂ = HCOOH + CO₂ + NH₃ (с образованием муравьиной кислоты)
• CH₂NH₂COOH + H₂O = CH₃OH + CO₂ + NH₃ (с образованием метилового спирта)
• CH₂NН₂COOH + H₂ = CH₃COOH + NH₃ (с образованием уксусной кислоты)
• 2NH₃ + H₂CO₃ = (NH₄)₂CO₃
• [ППК]₂Ca + (NH₄)₂CO₃ → [ППК]Сa(NH₄)₂CO₃ → NH₄HCO₃ + NH₃↑

Нитрификация превращает аммонийный азот в нитратную форму, которая служит основным источником азотного питания растений. Это строго специализированный двухэтапный процесс, протекающий под воздействием автотрофных бактерий. Сами нитрификаторы малочисленны в почве и занимают небольшую долю в микробной биомассе, однако они обладают высокой активностью.

1. Первая фаза (окисление аммиака в нитрит): 2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O. Процесс выполняют нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira.
2. Вторая фаза (окисление нитрита в нитрат): 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃. Процесс проводят нитратные бактерии родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.

Денитрификация и пути естественного пополнения запасов азота

Денитрификация переводит нитраты в газообразные формы азота (NO₂, NO, N₂O, N₂), что приводит к его прямым потерям из почвы. Выделяют косвенную денитрификацию, которая идет химическим путем при взаимодействии азотистой кислоты с аминами, и прямую — биологическую. Прямую денитрификацию вызывают бактерии Bac. denitrificans, Bac. stutzeri, Bac. fluorescens и Bac. pyocyaneum, которые используют кислород нитратов для окисления органических веществ.

Химизм биологического восстановления азотной кислоты до оксида азота и свободного азота протекает по следующим реакциям:

• C₆H₁₂O₆ + 6HNO₃ → 6CO₂ + 9H₂O + 3N₂O↑ (+2289 кДж)
• 5C₆H₁₂O₆ + 24HNO₃ → 30CO₂ + 42H₂O + 12N₂↑ (+2394 кДж на 1 моль глюкозы)

Наиболее активно денитрификация идет в плохо дренированных почвах с обилием органики, нейтральной реакцией среды и температурой около 25 °C. Во влажные и теплые периоды денитрификация ускоряется, приводя к существенным потерям азота в виде газа, включая закись азота N₂O. При этом суточная эмиссия закиси азота из почвы в атмосферу колеблется от следовых количеств до 0,02–0,05 мг N/м².

Агрономическое значение денитрификации зависит от глубины ее протекания. В корнеобитаемом слое этот процесс снижает обеспеченность культур азотом и вредит урожаю. Однако ниже зоны распространения корней денитрификация полезна, так как предотвращает загрязнение грунтовых вод вымываемыми нитратами.

Потери азота частично компенсируются его естественным поступлением из атмосферы и микробиологической азотфиксацией. В обычных условиях атмосферные осадки приносят в почву аммонийный и нитратный азот. Дополнительно азот фиксируют свободноживущие аэробные бактерии Azotobacter chroococeum и анаэробные Clostridium pasteurianum.

При внесении невысоких доз азотных удобрений и искусственном заражении почвы микроорганизмами эффективность фиксации возрастает. В таких условиях небобовые растения способны усваивать за счет фиксированного азота от 7 до 16 % от своего общего выноса этого элемента.

Симбиотическая азотфиксация — естественный способ насытить почву азотом без лишних затрат. Клубеньковые бактерии рода Rhizobium, развивающиеся в симбиозе с бобовыми культурами, способны накапливать существенные объемы азота в расчете на гектар. Чтобы бактерии работали эффективно, обеспечьте им оптимальные условия: нейтральную или слабокислую реакцию среды (pH 6–7), высокое содержание органического вещества, подвижного фосфора и калия, а также достаток бора и молибдена.

• Фиксация азота под люцерной — 250–300 кг/га
• Фиксация азота под клевером — 150–160 кг/га
• Фиксация азота под соей — 100 кг/га
• Фиксация азота под викой, горохом, фасолью — 70–80 кг/га

Как сократить потери азота на поле

Растения используют только 35–50 % азота из внесенных минеральных удобрений. Около 25 % азота временно иммобилизуется микрофлорой и переходит в состав гумуса. Непосредственные потери азота из почвы составляют от 25 до 40 %, из которых на денитрификацию приходится 20 %, а на вымывание — 5 %. Минеральный азот теряется из-за его поглощения микроорганизмами, необменного связывания аммония, вымывания нитратов и газообразных потерь.

Вымывание нитратов можно резко уменьшить с помощью правильной тактики применения удобрений:

• вносите азот как можно ближе к началу периода активного потребления растениями;
• приурочивайте подкормки к фазам наибольшего потребления элемента культурой;
• разделяйте общую норму азота на несколько сроков;
• подбирайте оптимальные формы азотных удобрений под конкретные условия.

Значительная часть азота улетучивается из почвы в виде газов. Эти потери составляют весомую долю от объема внесенных удобрений.

Потери азота в виде аммиака резко возрастают до 10–40 % на карбонатных и щелочных почвах. Этому также способствуют поверхностное внесение карбамида, избыток органического вещества в почве, высокая влажность и повышенная температура воздуха.

Для точного управления азотным режимом необходима своевременная диагностика. Чтобы оценить общее плодородие поля, определяют общий азот, фиксированный аммоний и минеральный азот (нитратный и аммонийный). Для расчета конкретной потребности культуры в удобрениях перед внесением анализируют легкогидролизуемый и минеральный азот.