Трансформація сполук азоту та розподіл його запасів у різних типах ґрунтів

Ефективність азотних добрив безпосередньо залежить від того, в якій формі елемент знаходиться в ґрунті і як він трансформується під впливом мікрофлори. Рослини засвоюють лише мінеральний азот, проте переважна частина його ґрунтових запасів зв'язана в органічних сполуках. Розуміння цих перетворень допомагає агроному точно розраховувати дози живлення та прогнозувати їх ефективність на конкретному полі.

• Азот в атмосфері (молекулярний) — 80%
• Органічна форма азоту в ґрунті — до 99%
• Кларк азоту в ґрунтах — 0,1%
• Середній кларк азоту в рослинах — 0,3%

Розподіл запасів і форми азоту в ґрунтовому профілі

Основним джерелом азоту в ґрунті слугує гумус: чим багатший ґрунт на гумус, тим вищий у ньому вміст азоту. Ґрунтовий органічний азот поділяється на три фракції: легкогідролізований, важкогідролізований та негідролізований залишок. Залежно від типу ґрунту загальні запаси азоту та співвідношення його форм суттєво розрізняються. У таблицях нижче наведено усереднені показники вмісту цих форм для основних типів ґрунтів.

Співвідношення гумусу та загального азоту в орному шарі різних типів ґрунтів:

Загальні запаси азоту в метровому шарі та співвідношення його фракцій за типами ґрунтів:

Для повноти картини розподілу елемента в біосфері варто враховувати його кларки в інших середовищах. У земній корі вміст азоту становить 0,02 %, у морській воді — 1·10^–5 %, а в тілах тварин досягає 3,1 %. Ці показники підкреслюють унікальність ґрунту як головного накопичувача органічного азоту на суходолі.

Біологічний кругообіг і етапи трансформації азоту

Азот у біосфері перебуває в стані безперервних циклічних перетворень, ключову роль у яких відіграє ґрунтова мікрофлора. Кругообіг азоту складається з фіксації молекулярного азоту повітря, окиснення та відновлення мінеральних і органічних азотовмісних сполук. Менша питома маса в цих перетвореннях припадає на суто хімічні та фізико-хімічні реакції. Весь цикл включає процеси азотфіксації, денітрифікації, мінералізації та іммобілізації.

Мінералізація та іммобілізація визначають вміст у ґрунті рухомих форм поживних речовин та умови живлення рослин. Процеси мінералізації переводять азот органічних речовин у добре доступну мінеральну форму. Іммобілізаційні процеси прямо протилежні їм і трансформують розчинні у воді сполуки назад у важкорозчинні форми. Мінералізація органічного азоту в ґрунті складається з процесів амоніфікації та нітрифікації.

Азот органічної речовини ґрунту до проходження всіх стадій мінералізації залишається повністю недоступним для рослин. Перетворення азотних сполук відбувається за участю ґрунтових мікроорганізмів і ферментів, що ними виробляються. Нижче показана послідовність розпаду білків до аміаку в процесі амоніфікації.

1. Розщеплення білків: під впливом ферментів протеїназ складні білкові молекули розпадаються до поліпептидів та олігопептидів.
2. Гідроліз пептидів: ферменти пептидази перетворюють отримані пептидні ланцюжки на вільні амінокислоти.
3. Дезамінування та дезамідування: ферменти дезамінази та дезамідази руйнують амінокислоти й аміди, відщеплюючи вільний аміак (NH3).
4. Утворення амонію: виділений аміак взаємодіє з ґрунтовою вологою (NH3 + H2O = NH4OH) з утворенням іона амонію (NH4+), який далі поглинається ґрунтом або засвоюється рослинами.

Амоніфікація та нітрифікація: як органіка перетворюється на доступний азот

Амоніфікація — це розпад органічних азотовмісних сполук із виділенням аміаку. Цей процес здійснює обширна група неспецифічних ґрунтових мікроорганізмів: аеробні та анаеробні бактерії, актиноміцети та плісняві гриби. Більшість із них всеїдні (поліфаги) і часто віддають перевагу вуглеводам перед білками як джерелом енергії.

Процес перебігає практично в усіх ґрунтах, але його швидкість сильно залежить від умов зовнішнього середовища. У сильнокислих або лужних умовах, а також при нестачі кисню (в анаеробному середовищі) амоніфікація різко сповільнюється. При цьому дефіцит повітря безпосередньо впливає на склад продуктів розпаду: в аеробних умовах утворюються аміак, вуглекислий газ, вода, сірководень та солі фосфорної кислоти, а в анаеробних накопичуються токсичні для рослин діаміди (птомаїни).

Розкладання амінокислот на прикладі найпростішого гліцину відбувається за кількома напрямками з утворенням мурашиної, оцтової кислот або метилового спирту. Аміак, що виділяється, далі вступає у вторинні реакції в ґрунті. Він взаємодіє з кислотами, поглинається ґрунтовими колоїдами, засвоюється рослинами або вивітрюється в атмосферу у вигляді газу.

• CH₂NH₂COOH + O₂ = HCOOH + CO₂ + NH₃ (з утворенням мурашиної кислоти)
• CH₂NH₂COOH + H₂O = CH₃OH + CO₂ + NH₃ (з утворенням метилового спирту)
• CH₂NН₂COOH + H₂ = CH₃COOH + NH₃ (з утворенням оцтової кислоти)
• 2NH₃ + H₂CO₃ = (NH₄)₂CO₃
• [ППК]₂Ca + (NH₄)₂CO₃ → [ППК]Сa(NH₄)₂CO₃ → NH₄HCO₃ + NH₃↑

Нітрифікація перетворює амонійний азот на нітратну форму, яка служить основним джерелом азотного живлення рослин. Це суворо спеціалізований двоетапний процес, що протікає під впливом автотрофних бактерій. Самі нітрифікатори малочисельні у ґрунті й займають невелику частку в мікробній біомасі, проте вони мають високу активність.

1. Перша фаза (окиснення аміаку в нітрит): 2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O. Процес виконують нітрозні бактерії родів Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira.
2. Друга фаза (окиснення нітриту в нітрат): 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃. Процес проводять нітратні бактерії родів Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.

Денітрифікація та шляхи природного поповнення запасів азоту

Денітрифікація переводить нітрати в газоподібні форми азоту (NO₂, NO, N₂O, N₂), що призводить до його прямих втрат із ґрунту. Виділяють непряму денітрифікацію, яка йде хімічним шляхом при взаємодії азотистої кислоти з амінами, і пряму — біологічну. Пряму денітрифікацію викликають бактерії Bac. denitrificans, Bac. stutzeri, Bac. fluorescens та Bac. pyocyaneum, які використовують кисень нітратів для окиснення органічних речовин.

Хімізм біологічного відновлення азотної кислоти до оксиду азоту та вільного азоту протікає за такими реакціями:

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

Найбільш активно денітрифікація йде у погано дренованих ґрунтах з великою кількістю органіки, нейтральною реакцією середовища та температурою близько 25 °C. У вологі та теплі періоди денітрифікація прискорюється, призводячи до суттєвих втрат азоту у вигляді газу, включаючи закис азоту N₂O. При цьому добова емісія закису азоту з ґрунту в атмосферу коливається від слідових кількостей до 0,02–0,05 мг N/м².

Агрономічне значення денітрифікації залежить від глибини її протікання. У кореневмісному шарі цей процес знижує забезпеченість культур азотом і шкодить урожаю. Однак нижче зони поширення коренів денітрифікація корисна, оскільки запобігає забрудненню ґрунтових вод нітратами, що вимиваються.

Втрати азоту частково компенсуються його природним надходженням з атмосфери та мікробіологічною азотфіксацією. У звичайних умовах атмосферні опади приносять у ґрунт амонійний та нітратний азот. Додатково азот фіксують вільноживучі аеробні бактерії Azotobacter chroococeum та анаеробні Clostridium pasteurianum.

При внесенні невисоких доз азотних добрив та штучному зараженні ґрунту мікроорганізмами ефективність фіксації зростає. У таких умовах небобові рослини здатні засвоювати за рахунок фіксованого азоту від 7 до 16 % від свого загального винесення цього елемента.

Симбіотична азотфіксація — природний спосіб наситити ґрунт азотом без зайвих витрат. Бульбочкові бактерії роду Rhizobium, що розвиваються у симбіозі з бобовими культурами, здатні накопичувати суттєві обсяги азоту в розрахунку на гектар. Щоб бактерії працювали ефективно, забезпечте їм оптимальні умови: нейтральну або слабокислу реакцію середовища (pH 6–7), високий вміст органічної речовини, рухомого фосфору та калію, а також достаток бору та молібдену.

• Фіксація азоту під люцерною — 250–300 кг/га
• Фіксація азоту під конюшиною — 150–160 кг/га
• Фіксація азоту під соєю — 100 кг/га
• Фіксація азоту під викою, горохом, квасолею — 70–80 кг/га

Як скоротити втрати азоту на полі

Рослини використовують лише 35–50 % азоту з внесених мінеральних добрив. Близько 25 % азоту тимчасово іммобілізується мікрофлорою і переходить до складу гумусу. Безпосередні втрати азоту з ґрунту становлять від 25 до 40 %, з яких на денітрифікацію припадає 20 %, а на вимивання — 5 %. Мінеральний азот втрачається через його поглинання мікроорганізмами, необмінне зв'язування амонію, вимивання нітратів та газоподібні втрати.

Вимивання нітратів можна різко зменшити за допомогою правильної тактики застосування добрив:

• вносьте азот якнайближче до початку періоду активного споживання рослинами;
• приурочуйте підживлення до фаз найбільшого споживання елемента культурою;
• розділяйте загальну норму азоту на кілька строків;
• підбирайте оптимальні форми азотних добрив під конкретні умови.

Значна частина азоту випаровується з ґрунту у вигляді газів. Ці втрати становлять вагому частку від обсягу внесених добрив.

Втрати азоту у вигляді аміаку різко зростають до 10–40 % на карбонатних та лужних ґрунтах. Цьому також сприяють поверхневе внесення карбаміду, надлишок органічної речовини в ґрунті, висока вологість та підвищена температура повітря.

Для точного управління азотним режимом необхідна своєчасна діагностика. Щоб оцінити загальну родючість поля, визначають загальний азот, фіксований амоній та мінеральний азот (нітратний та амонійний). Для розрахунку конкретної потреби культури в добривах перед внесенням аналізують легкогідролізований та мінеральний азот.