Нитрификация. Возбудители. Химизм процесса. Значение работ С. Н. Виноградского. Положительная и отрицательная роль этого процесса в зем

Потери  азота почвы и удобрений в  основном происходят вследствие деншпрификации — процесса восстановления нитратного азота до свободного молекулярного азота (N₂) или до газообразных окиси и закиси азота (NO и N₂ O). 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 N0. 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 N 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 па рисовых плантациях, а также на легких почвах в зоне достаточного увлажнения.

При поверхностном внесении твердых  аммонийных удобрений и мочевины могут происходить потерн 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 V, 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 Российской Федерации  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.

Ведущая роль в ростовых процессах принадлежит  азоту. Повышенное азотное питание  способствует усиленному росту вегетативных органов, формированию мощного ассимиляционного аппарата. Недостаток же азота в  этот период приводит к угнетению  роста, а в последующем — к  снижению урожая и его качества.

Ко  времени цветения и начала плодообразования потребность в азоте у большинства растений уменьшается, но возрастает роль фосфора и калия. Это обусловлено физиологической ролью последних, то есть их участием в синтезе и передвижении органических соединений, обмене энергии, особенно интенсивно происходящих при формировании репродуктивных органов и образовании запасных веществ в товарной части урожая. В период плодообразования, когда нарастание вегетативной массы заканчивается, потребление всех питательных веществ постепенно снижается, а затем их поступление приостанавливается. Дальнейшее образование органического вещества и другие процессы жизнедеятельности обеспечиваются в основном за счет повторного использования (реутилизации) питательных веществ, ранее накопленных в растении.

Различные сельскохозяйственные культуры отличаются по размерам и интенсивности поглощения питательных элементов в течение  вегетационного периода.  Все зерновые злаковые (за исключением кукурузы), лен, конопля, ранний картофель, некоторые  овощные культуры отличаются коротким периодом интенсивного питания —  основное количество питательных веществ  потребляют в сжатые сроки. Например, озимая рожь уже за осенний период поглощает 25—30% всего количества питательных  веществ, тогда как сухая масса  растений к концу осенней вегетации  достигает всего лишь 10% конечного  урожая.

Яровая  пшеница за сравнительно короткий промежуток—  от выхода в трубку до конца колошения (около месяца) — потребляет 2/3-3/4 всего количества питательных веществ.

Средне- и позднеспелые сорта картофеля  потребляют наибольшее количество питательных  веществ  в июле: за этот месяц  поглощается почти 40% азота, более 50 — фосфора и 60% калия от конечного  содержания их в урожае. Ранние сорта  картофеля отличаются еще более  сжатым сроком интенсивного потребления  питательных веществ.

Лен имеет ярко выраженный период максимального  потребления элементов минерального питания — от фазы бутонизации до цветения, а хлопчатником основное количество питательных веществ потребляется с начала бутонизации до массового образования волокна в коробочках.

Некоторые растения, например подсолнечник и  сахарная свекла, характеризуются более плавным и растянутым потреблением питательных веществ, поглощение которых продолжается почти до конца вегетации.

Отдельные элементы питания поглощаются растениями с различной интенсивностью: у  кукурузы, например, наиболее быстрыми темпами идет потребление калия, затем азота и значительно  медленнее поглощается фосфор.

Поглощение  калия полностью заканчивается  к периоду образования метелок, а азота — к периоду формирования зерна. Поступление фосфора более  растянуто и продолжается почти  до конца вегетации.

Конопля в первый месяц очень интенсивно поглощает азот и калий. Поступление  азота полностью завершается  через 3, а калия — через 5 недель после появления всходов, тогда  как интенсивное поглощение фосфора  продолжается почти до конца вегетации.

Потребление основных элементов питания сахарной свеклой также происходит неравномерно. В первую декаду после всходов  отношение Р : N : К в растениях равно 1,0 : 1,5 : 1,4. Затем в период интенсивного нарастания листьев это соотношение изменяется в сторону увеличения поглощения азота и калия, составляя в мае 1,0 : 2,5 : 3,0, в июне— 1,0 : 3,0 : 3,5, в июле 1,0 : 4,0 : 4,0. В августе, когда происходит образование корней и накопление в них сахара, соотношение между этими элементами становится 1,0 : 3,6  I,0 : 5,5, т. е. особенно сильно увеличивается поглощение калия. Слишком обильное азотное питание в период образования корня и накопления в нем сахара нежелательно, так как стимулирует рост ботвы в ущерб росту корня и сахаронакоплению. В этот период очень большое значение имеет достаточный уровень обеспеченности растений калием и фосфором.

Неодинаковая  количественная потребность и интенсивность  поглощения растениями отдельных элементов  питания должна учитываться при  разработке системы применения удобрений. Особенно важно обеспечить благоприятные  условия питания растений с начала вегетации и в периоды максимального  поглощения. Это достигается сочетанием различных способов внесения удобрений: в основное удобрение до посева, при посеве и в подкормки.

Задача  основного удобрения — обеспечение  питания растений на протяжении всей вегетации, поэтому до посева в большинстве  случаев применяют полную норму  органических удобрений и подавляющую  часть минеральных.

Припосевное удобрение (в рядки, при посадке в лунки, гнезда) в относительно небольших дозах вносят для снабжения растений в начальный период развития легкодоступными формами питательных веществ, прежде всего фосфора. Для снабжения растений элементами питания в наиболее ответственные периоды вегетации применяются подкормки в дополнение к основному и припосевному удобрению (в отдельных случаях в подкормки может вноситься значительная доля общей нормы удобрений, например азота под озимые, хлопчатник и т. д.). Выбор срока, способа внесения удобрений и заделки их в почву зависит не только от особенностей биологии, питания и агротехники культур, но и от почвенно-климатических условий, вида и формы удобрений. Регулируя условия питания растений по периодам роста в соответствии с их потребностью путем внесения удобрений, можно направленно воздействовать на величину урожая и его качество.

Несмотря  на резкие различия в количественной потребности, функции каждого необходимого макро- и микроэлемента в растениях  строго специфичны, ни один элемент  не может быть заменен другим. Недостаток любого макро- или микроэлемента  приводит к нарушению обмена веществ  и физиологических процессов  у растений, ухудшению их -роста и развития, снижению урожая и его качества. При остром дефиците элементов питания у растений появляются характерные признаки голодания.

Навоз

   Из  органических удобрений наиболее доступным  и ценным является навоз. Навоз –  это местное удобрение, которое  состоит из твердых и жидких выделений  животных, смешанных обычно с подстилочным материалом. В зависимости от вида животного он подразделяется на коровий, конский, свиной, овечий, кроличий, птичий. Качество навоза зависит от содержащихся в нем элементов питания.

   Навоз содержит азот и зольные вещества, которые уменьшают кислотность  почвы. Навоз служит источником поступления  углекислого газа в растение. Углекислый газ, в свою очередь, усиливает синтез органического вещества растениями, улучшая условия их минерального питания. 

Таблица 1. Содержание микроэлементов в различных видах  навоза (%)