Азотные удобрения и их роль в повышении урожайности сельскохозяйственных культур на каштановых почвах

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Глава 1. Агрохимическая характеристика почв Забайкалья

Глава 2. Динамика содержания азота в почвах

Глава 3. Роль азота в питании растений

Глава 4. Влияние азотных удобрений на урожайность и качество сельскохозяйственных культур

Глава 5. Экологические аспекты применения удобрений

Заключение

Список литературы

Введение

Одной из главных проблем современного земледелия является сохранение и расширенное воспроизводство плодородия почв. Среди многих агротехнических приемов, направленных на обогащение почвы органическим веществом, особое место занимают органические и минеральные удобрения.

По оценке зарубежных специалистов и по данным научных учреждений нашей страны около половины всего прироста урожая сельскохозяйственных культур получают за счет применения удобрений.

Эффективность удобрений в разных почвенно-климатических условиях неодинакова и зависит от свойств почвы, количества осадков, уровня агротехники и других факторов.

Применение удобрений имеет огромное значение в решении важнейшей народохозяйственной задаче - увеличении производства зерна, особенно сильной и ценной пшеницы, а также в создании прочной кормовой базы для развития животноводства.

Целью курсовой работы является изучение влияния азотных удобрений на урожай и качество сельскохозяйственных культур на каштановых почвах.

Задачи курсовой работы:

- рассмотреть состояние азота в почве и динамика его соединений;

- изучить роль азота в питании растений;

-изучить действие азотных удобрений на величину урожая, его качество и изменение химических свойств каштановых почв Бурятии.

Глава 1. Агрохимическая характеристика почв Забайкалья

Забайкалье - горная страна, поэтому распределение почв на его территории в значительной степени определяется характером рельефа. Широтная зональность в распределении почв, хотя и прослеживается, сильно осложняется вертикальной поясностью, а также существованием экзотических участков степей среди тайги.

Степные территории с каштановыми и черноземными почвами занимают самые низкие позиции. Они приурочены к межгорным понижениям и нижним частям южных склонов хребтов, обращенных к ним. Очень отчетливо проявляется влияние экспозиции склонов. Верхняя граница распространения каштановых почв достигает 800 м над уровнем моря, а черноземов - 1000 м. Контакт степи с лесом очень резок. В сочетании с каштановыми почвами и черноземами встречаются солончаки и солонцы, которые приурочены к днищам падей и окраинам соленых озер.

Лесостепь не образует сплошной зоны и встречается на высотах 1000-1200 м. Часто она совсем выпадает из ряда вертикальной зональности.

В тайге, которая в южных районах поднимается до уровня 1700-2000 м абс. высоты преобладают почвы подзолистого типа при широком распространении, а в ряде случаев даже преобладании так называемых скрытоподзолистых почв, т.е. почв, лишенных морфологических признаков оподзоленности. Наибольшее развитие почв «ясноподзолистых» отмечается в верхнем поясе тайги.

В гольцах преобладают горно-луговые и горно-тундровые почвы. Среди последних отмечаются как сухие, так и влажные варианты.

Описывая различные типы почв Забайкалья, Л.И. Прасолов выявляет в них целый комплекс свойств и признаков, отличающих их от почв Европейской части. В частности он подчеркивает очень низкую степень подзолистости почв таежной зоны, малую мощность подзолистого горизонта, яркие цвета, свойственные переходному горизонту и, наконец фиксирует существование почв, у которых сразу од подстилкой залегает «рыжие-бурый» горизонт. Часто отмечается наличие мерзлоты.

Каштановые почвы являются преобладающим типом почвы в Бурятии, их площадь - 377 тыс. га, что составляет около 40% пашни республики. Республика Бурятия расположена на юге Восточной Сибири, в западной части Забайкалья. Большая её протяженность и расчлененный горный рельеф являются следствием своеобразия природных условий, резко отличающихся от условий других республик и областей России, находящихся в этих же широтах.

Из краткого изложения геологической истории Забайкалья следует, что единой точки зрения на геологическую структуру Забайкалья нет. Оно считается древней материковой страной, претерпевшей различные процессы тектонических движений с формированием складчатых сооружений разного возраста и генезиса. В конце третичного - в начале четвертичного периодов происходило формирование почти современных горных систем, впадин, прогибов, а также впадины озера Байкал (Обручев В.А.,1929). Тектоническая активность горной страны не угасла и до настоящего времени, об этом свидетельствуют частые землетрясения, много термальных источников.

Сложное геоморфологическое развитие и характер рельефа с чередующимися горными хребтами и межгорными понижениями обусловили большое разнообразие и неоднородность почвообразующих пород. Почвообразующими породами на большей части территории республики являются маломощные толщи элюво-делювия плотных пород, содержащие их обломки и слабовыветренный щебень. В межгорных котловинах и на широких участках речных долин почвообразование происходит на мощной толще рыхлых наносов (Ногина Н.А.,1964).

Почвообразующие породы, на которых развиваются каштановые почвы, очень щебнисты, преимущественно легкого гранулометрического состава. Растительность очень изрежена и представлена типчаково - лапчатниковыми и полынно-злаковыми ассоциациями. Высота травостоя составляет 15-20см, проективное покрытие 40-60%. Из-за медленного оттаивания весной и незначительного количества осадков в зимне-весеннее время, почвы промачиваются на небольшую глубину, в связи с чем корневая система растений развивается в самом поверхностном слое.

На территории Бурятии выделены два самостоятельных подтипа каштановых почв: собственно каштановые мучнисто-карбонатные и темно-каштановые мучнисто-карбонатные. Собственно каштановые почвы формируются по днищам понижений в южных районах Бурятии, а темно-каштановые приурочены к более высоким абсолютным отметкам.

Каштановые почвы Бурятии очень своеобразны по морфологическому облику. Они отличаются небольшой мощностью профиля в целом, и гумусового горизонта, в частности. Для них характерно резкое изменение гумусовой окраски по профилю, верхняя часть гумусового горизонта отличается наибольшим скоплением корней.

Карбонатный горизонт имеет резко выраженную границу, нижняя же граница его расплывчатая, языковатая. Карбонаты выделяются в мучнистой форме. Щебнистость и легкий гранулометрический состав почвообразующих пород, периодически промывной водный режим обусловливает отсутствие в профиле каштановых почв легкорастворимых солей, гипса и признаков солонцеватости.

Каштановые почвы Бурятии имеют легкосуглинистый, супесчаный и песчаный гранулометрический состав. Распределение фракций по профилю неоднородно, что связано с неоднородностью гранулометрического состава почвообразующих пород. Обращает на себя внимание высокое содержание крупных фракций (1,0- 0,01мм), количество которых часто превышает 60%. Содержание илистой фракции невысокое (10-15%), при этом наблюдается сравнительно равномерное ее распределение по всему профилю.

Характерной особенностью почв является часто встречающаяся двучленность профиля, отличающаяся мелкощебнистымсупесчанным или легкосуглинистым делювием верхней части профиля и щебнистым элювием коренных пород нижних горизонтов, скелетность которых достигает 35-40%, а иногда превышает 50%.

Щебнистость и легкий гранулометрический состав определяют основные водно-физические свойства каштановых почв. Плотность (удельная масса) по профилю изменяется мало и колеблется в пределах 2,40-2,76г/куб.см. Более резко изменяется величина плотности сложения (объемной массы), возрастающая от 1,24-1,41г/куб.см в гумусовом горизонте, до 1,44-1,46г/куб.см в нижней части профиля. По величине порозности почвы Бурятии мало отличаются от таковых почв Европейской части России (Антипов-Каратаев И.Н.,1939; Яровенко А.Т.,1965 и другие).

Описываемые почвы обладают большой водопроницаемостью, малой водоудерживающей способностью, что объясняется их гранулометрическим составом и большой порозностью. Характерной особенностью отличающей их от европейских каштановых почв, является низкая полевая влагоемкость, которая в гумусовом горизонте не превышает 13-18% от полной влагоемкости. Запасы доступной для растений влаги в корнеобитаемом слое незначительны. Летние осадки быстро просачиваются в нижние горизонты, что обусловлено легким гранулометрическим составом и щебнистостью почв. Все это приводит к тому, что продуктивность их очень невелика, поэтому главной задачей в разработке агротехнических мероприятий являются приемы по сохранению и накоплению влаги.

Почвы разнообразны по валовому составу, это связано с разнообразием минералогического и гранулометрического состава почвообразующих пород. Обращает на себя внимание сравнительно небольшое количество кремнезема, колеблющееся в пределах 62-68% и относительно большое содержание кальция, доля которого варьирует от 0,9 до 6,2%. Следует отметить значительное содержание по всему профилю почв Р2O5; K2O; Na2O.

Агрохимические свойства каштановых почв характеризуют, что верхние горизонты почвы имеют близкую к нейтральной и нейтральную, а нижние - слабощелочную и щелочную реакции. В составе обменных катионов преобладают кальций и магний, причем на долю кальция приходится 70-80 % от ЕКО, емкость поглощения невысокая, в верхней части профиля она колеблется от 15,2до 20,1мг экв/100г почвы. Причиной небольшой величины емкости катионного обмена является легкий гранулометрический состав, низкое содержание гумуса. Его количество в верхней части профиля составляет 1,3 -3,0%. В соответствии с низким содержанием гумуса находится и количествоазота, содержание которого в гумусовом горизонте не превышает 0,21%. Характерной чертой этих почв является четко выраженный карбонатный профиль. Верхние горизонты не содержат карбонатов, максимум их обнаруживается на глубине 60-70мм, где количество их в ряде случаев достигает 15-17%, вниз по профилю содержание карбонатов кальция уменьшается.

Особенности гидротермического режима каштановых почв отражаются и на составе микрофлоры. Их специфику определяет относительно высокая численность актиномицетов и бактерий, растущих на МПА, и незначительное содержание бактерий, ассимилирующих минеральный азот. В период выпадения дождей (июль- август) количество микроорганизмов возрастает в 10-15 раз. Увеличение содержания актиномицетов сопровождается возрастанием численности бактерий, усваивающих минеральный азот и олигонитрофилов. Каштановые почвы, особенно пахотные, отличаются значительной биогенностью.

Глава 2. Динамика содержания азота в почвах

Распространение Азота в природе.

Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса (около 4·1015 т) сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный Азот (в виде молекул N2) составляет 78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и оксидов. Среднее содержание азота в литосфере 1,9·10-3% по массе. Природные соединения азота - хлористый аммоний NH4Cl и различные нитраты. Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного климата. Долгое время селитры были главным поставщиком азота для промышленности (сейчас основные значение для связывания азота имеет промышленный синтез аммиака из азота воздуха и водорода). Небольшие количества связанного азота находятся в каменном угле (1-2,5%) и нефти (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах (0,1%) и в живых организмах (0,3%).

Хотя название "азот" означает "не поддерживающий жизни", на самом деле это - необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и человека содержится 16-17% азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. Значит, количество азота поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот воздуха в соединения азота.

Азот - четвертый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

Содержание азота в почве

Основное количество азота (до 90% общего содержания) находится в семенах в составе белка. Растительные белки содержат азота от 14 до 18%, т. е. в среднем около 16%.

Наиболее богаты азотом семена бобовых и масличных культур, меньше его в зерне злаков. В вегетативных органах растений азота значительно меньше, чем в семенах. Так, в зерне пшеницы содержание азота составляет от 2,3 до 3,5% сухого вещества, а в соломе - от 0,4 до 0,7%. Из вегетативных органов азотом богаче листья, особенно молодые, меньше его в стеблях и корнях. В листьях и стеблях растений, а также в корнеплодах и клубнях доля небелкового азота может быть значительной. Например, в листовых овощах, корнях сахарной, кормовой свеклы и моркови, клубнях картофеля небелковые соединения азота в момент достижения товарной спелости составляют половину общего количества этого элемента. Растения для формирования хорошего урожая выносят из почвы значительное количество азота: зерновые около 100-150 кг, кукуруза, картофель, сахарная свекла - до 150-250 кг с 1 га.

Содержание азота в почвах зависит от количества в них гумуса. В черноземах общее содержание азота достигает ОД-0,5%, а в дерново-подзолистых почвах и сероземах - только 0,05-0,15%. Общий запас азота в пахотном слое разных почв колеблется от 1500 до 15 000 кг на 1 га.

Основная масса почвенного азота (до 99%) находится в виде органических соединений (белковых и гумусовых веществ), недоступных для питания растений. Скорость минерализации органических соединений азота почвенными микроорганизмами до аммиака и нитратов зависит от условий аэрации, влажности, температуры и реакции почвы. Поэтому количество минеральных соединений азота в почвах сильно колеблется - от следов до 2-3% общего содержания азота.

Разложение азотистых органических веществ в почве в общем виде может быть представлено следующей схемой: гуминовые вещества, белки > аминокислоты, амиды >аммиак > нитриты > нитраты > молекулярный азот.

Распад органических азотосодержащих веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Этот процесс осуществляется многочисленными аэробными и анаэробными почвенными микроорганизмами и происходит во всех почвах при разной реакции среды, но замедляется в анаэробных условиях и при сильнокислой и щелочной реакциях.

Аммонийный азот в почве подвергается нитрификации - окислению до нитритов, а затем нитратов. Этот процесс осуществляется группой специфических аэробных бактерий, для которых окисление аммиака является источником энергии. Оптимальные условия для нитрификации - хорошая аэрация, влажность почвы 60-70% капиллярной влагоемкости, температура 25-32°С и близкая к нейтральной реакция. Интенсивная нитрификация - один из признаков культурного состояния почвы. На кислых подзолистых почвах в условиях плохой аэрации, избыточной влажности и низкой температуры процессы минерализации протекают слабо и останавливаются на стадии образования аммония. Нитрификация из-за неблагоприятных условий для деятельности нитрифицирующих бактерий бывает подавлена и происходит медленно.

На окультуренных, хорошо обработанных почвах процессы аммонификации и нитрификации идут интенсивнее, больше образуется минеральных соединений азота, особенно нитратов. Известкование кислых почв, систематическое внесение органических и минеральных удобрений, усиливая микробиологическую деятельность в почве, резко повышают интенсивность минерализации органического вещества и образования усвояемых соединений азота.

Круговорот азота в почве

Минеральные соединения азота не накапливаются в почве в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в органическую форму.

Азотные удобрения усиливают минерализацию почвенного органического вещества и значительно увеличивают усвоение растениями азота из почвы. До недавнего времени считалось, что растения используют 70-80% азота удобрений. Коэффициент использования растениями азота удобрений определялся разностным методом - по разнице в выносе азота с урожаем при внесении азота и без внесения, выраженный в % внесенного количества N удобрения. При этом допускалось, что растения в том и другом случае усваивают одинаковое количество азота из почвы. Применение в агрохимических исследованиях метода меченых атомов (в опытах использовали соединения азота, меченные стабильным изотопом азота 1SN) позволило установить, что в полевых условиях растения усваивают непосредственно из удобрений лишь 30-50% азота. Однако при внесении азотных удобрений усиливается минерализация почвенного азота и усвоение его растениями. Коэффициенты использования азота различных форм азотных удобрений существенно не различаются, за исключением экстремальных условий их применения. Показано также, что 10-20% азота нитратных и 30-40% аммиачных, аммонийных удобрений и мочевины закрепляется в почве в органической форме. Превращение азота в органическую форму резко возрастает при запашке в почву органического вещества с низким содержанием азота (пожнивные растительные остатки, солома злаковых и соломистый навоз). Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому последействие азотных удобрений незначительно.

Следовательно, одновременно с минерализацией органического вещества в почве происходит закрепление минеральных соединений азота вновь в органическую форму. Но при этом азот не теряется, а лишь временно переходит в недоступные растениям соединения. Соотношение процессов минерализации и новообразования органических азотосодержащих веществ имеет важное значение в азотном режиме почв.

Для закрепления нитратного азота в почве особое значение, как уже отмечалось, имеет биологическое поглощение.

Нитраты легко передвигаются в почве и могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками и дренажными водами. Вымывание нитратов из тяжелых почв под растениями обычно незначительно (в среднем 3-5 кг с 1 га). Однако на легких, особенно парующих, почвах в увлажненных районах, а также в условиях орошаемого земледелия такие потери могут достигать значительных величин (до 30-50 кг на 1 га и более).

Потери азота почвы и удобрений в основном происходят вследствие денитрификации - 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.

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 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.

Иммобилизация азота почвы.

Особенно большое поглощение азота микроорганизмами почвы происходит при внесении органических веществ с широким соотношением углерода и азота. Это происходит потому, что вносимые в почву органические вещества, например солома и другие растительные остатки, содержат немного азота - 0,5-1,0% (или 1,5-2,0%, когда запахивают растительныеостатки с большим количеством азотсодержащих веществ,как,например, солому зернобобовых культур). Однакодаже в лучшем случае наблюдается весьма широкое соотношениемежду углеродом и азотом (20 : 1). В то же время в плазме микробов содержится значительно больше азота, чем в разлагающихся ими органических веществах. В среднем в плазме микробов содержится 3-12% азота (соотношение азота к углероду в среднем 1 : 10), Такое же соотношение между азотом и углеродом и в стойкой фракции гумус.

Поэтому при внесении в почву органических веществ (чаще растительных остатков после уборки урожая или разложившегося навоза) наблюдается бурное развитие почвенной микрофлоры. Это приводит к тому, что для построения плазмы микроорганизмов при достаточном энергетическом материале используя азот не только органических веществ, внесенных в почву, но и минеральный азот почвы. А это приводит к ухудшению азотного питания культурных растений.

Особенно часто подобные процессы наблюдаются при запашке соломы после уборки зерновых культур и повторного их посева. Повторно посеянная озимь, как правило, испытывает резкое азотное голодание. Для снижения иммобилизации азота микрофлорой почт к растительным остаткам, богатым целлюлозой, например к соломе, рекомендуется добавлять 1-2% минерального азота от массы соломы. Но процесс иммобилизации азота почвы микроорганизмами не всегда является отрицательным фактором. На легких почвах, особенно в зоне достаточного увлажнения, в результате иммобилизации минеральный азот закрепляется в верхних ее слоях. В дальнейшем при разложении плазмы микроорганизмов часть азота закрепляется в процессе гумификации органического вещества, а часть превращается в минеральный аммонийный азот, который адсорбируется почвенными коллоидами. Часть же аммиачного азота подвергается нитрификации и превращается в азот селитры. Аммонийный и нитратный азот используется растениями как источник азотного питания. Отрицательное действие процесса иммобилизации на культурные растения чаще наблюдается при запашке стерни или растительных остатков накануне сева последующей культуры и без внесения минеральных азотных удобрений.

Вымывание азота.

Вымывание нитратов осадками и дренажными водами происходит потому, что нитраты обычно не входят в состав малорастворимых соединений и не поглощаются отрицательно заряженными коллоидами почвы. Наибольшие потери азота от вымывания наблюдаются на почвах легкого гранулометрического состава с низким содержанием органического вещества при высоком увлажнении или орошении. В последнем случае не следует допускать смыкания поливных вод с грунтовыми.

Резко снижаются, а чаще всего отсутствуют потери нитратов под культурами сплошного сева. В этом случае образовавшийся нитратный азот благодаря нитрификации активно используется на питание растений. В паровом поле в увлажненных районах отмечаются наибольшие потери нитратов, так как они не адсорбируются коллоидами почвы и передвигаются вместе с почвенной влаги потери азота можно регулировать и резко снижать. При правильном применении удобрений с учетом почвенно-климатических условий потерь нитратов вообще можно избежать. Например,легких почвах, особенно при повышенном увлажнении, необходимо дробно вносить азотные удобрения во время вегетации, в фаты наибольшего потребления азота; при орошении снижения потерь нитратного азота можно добиться своевременным внесением удобрений и регулированием поливного режима. В некоторой степени потери азота при вымывании можно снижать подбором соответствующих форм минеральных удобрений. Например, аммиачный азот поглощается коллоидами почвы и в меньшей мере мигрирует по профилю. Однако поглощенный и водорастворимый аммоний при благоприятных условиях в результате процесса нитрификации легко превращается в нитраты.

Потери нитратов от вымывания могут быть существенными на песчаных почвах в районах с исключительно влажным климатом. В полузасушливых и засушливых условиях даже в хорошо проницаемых песчаных почвах нитраты опускаются обычно не ниже 40- 50 см, т. е. потери азота в данных условиях маловероятны.

Газообразные потери азота из почвы. В опытах с изотопом l5N неучтенные потери азота колебались от 10 до 35% от внесенной дозы в зависимости от формы азота, влажности почвы, температуры, рН и окислительно-восстановительного потенциала. Потери азота из-за улетучивания в среднем составляют 15% от внесенного, иногда они достигают 30%. Наибольшее количество азота из-за улетучивания теряется в виде аммиака (), молекулярного азота ( и закиси азота (O).

Раньше потери азота в газообразном виде относили прежде всего за счет процесса денитрификации. Однако азот в газообразном виде может теряться различными путями, а следовательно, и причины таких потерь могут быть различными. Часть азота почвы и внесенных удобрений может теряться с поверхности в форме аммиака (). При внесении аммонийных солей в карбонатные почвы или мочевины поверхностно, без заделки, наблюдаются потери аммиачного азота. Одной из причин потерь является его щелочная реакция. Кроме того, чем выше карбонатность почвы, тем больше потери аммиачного азота. Это объясняется взаимодействием аммиачных солей с карбонатами почвы и образованием весьма нестойкого соединения - карбоната аммония. Потери эти заметно возрастают на легких почвах и при высокой температуре.

В практике особенно значительные потери аммиачного азота наблюдаются при внесении водного и безводного аммиака. Одной из важнейших мер снижения потерь этой формы азота является глубокая заделка внесенных аммиачных и аммиачно-нитратных удобрений.

Потери аммиачного азота на карбонатных и щелочных почвах колеблются в пределах 10-40%. Чаще они бывают большими при использовании жидких азотных удобрений. Значительное улетучивание аммиака наблюдается также и при поверхностном внесении мочевины, особенно на карбонатных почвах. Потери аммиачной формы азота при внесении мочевины объясняются тем, что мочевина при аммонификации переходит в углекислый аммоний, соединение весьма нестойкое, особенно на карбонатных почвах. Кроме того, образовавшийся из мочевины аммоний вызывает местное подщелачивание почвы, так как на карбонатных и щелочных почвах отсутствуют анионы кислот, способные нейтрализовать образующийся аммоний. Обработка почвы, даже боронование, значительно снижает потери аммиачного азота при поверхностном внесении мочевины.

Значительная часть газообразного азота теряется из почвы вследствие процесса денитрификацни. Этот процесс восстановления нитратного азота почвы до свободного газообразного азота () происходит в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов деинтрификаторов (Вact. denitrificans, Bact. stutzery, Bad. fluorescens и др.). Процесс денитрификации идет через ряд промежуточных этапов:

()

нитрат нитрит гионитрит закись молекулярый

азота азот

Молекулярный азот и закись азота являются основными газообразными продуктами биологической денитрификации, за счет улетучивания которых происходят потери азота из почв. Этот процесс возникает и развивается без доступа воздуха и при щелочной реакции почвы.

Потери азота при денитрификации объясняются тем, что денитрификаторы являются анаэробной микрофлорой, т.е. развиваются активно при отсутствии кислорода воздуха. Поэтому для дыхания они используют кислород нитратов, восстанавливая азот до свободной молекулярной формы (). Восстановление нитратов происходит под действием ферментов нитратредуктазы и нитритредуктазы и выражается уравнением

H12О6 + 4 = 6СО2 + 6Н20 + 2N2.

Наиболее благоприятными условиями для денитрификации, а следовательно, и потерь молекулярного азота, являются: 1) анаэробная среда; 2) щелочная реакция почвы; 3) избыточное количество в почве органического вещества, богатого клетчаткой, глюкозой и другим энергетическим материалом; 4) высокое увлажнение почвы. Оптимальная температура для денитрификации 40-75°С, так как активные расы денитрификаторов - термофильные бактерии. Поэтому в холодные периоды, несмотря на высокую влажность и анаэробные условия, процессы денитрификации протекают слабо или вовсе не идут, что резко снижает потери азота. Оптимальный рН для денитрификации 7-7,5. В результате денитрификации при содержании в 1 г почвы 1 млнВасt. stutzery из 1 кг ее может выделиться в сутки 0,5 мг азота.

Процесс денитрификации весьма распространенный и протекает почти во всех почвах, так как почв с полнымаэробиозисом практически нет. Даже при самых оптимальных условиях азрации и влажности на хорошо оструктуренных почвах может наблюдаться денитрификация. Это объясняется тем, что внутри плотных почвенных агрегатов и на структурных почвах могут быть анаэробные условия. Кроме того, активный процесс нитрификации в аэробных условиях приводит к поглощению кислорода воздуха и выделению , вследствие чего создаются местные анаэробные условия, приводящие к развитию денитрификации.

Применение комплекса приемов агротехники, направленных на содержание почвы в хорошем структурном состоянии, поддержание в ней оптимального водного и воздушного режимов, а также правильное чередование культур в севообороте способствуют значительному снижению потерь азота из-за денитрификации.

Кроме денитрификации существуют и другие пути потерь газообразного азота, хотя они изучены в еще меньшей мере. Главным образом эти потери связывают с распадом азотистой кислоты в почве или взаимодействием с другими химическими соединениями почвы. Наиболее существенными потери азота бывают при распаде азотистой кислоты с образованием азотной кислоты и окиси азота. При подкислении почвы до рН ниже 6 этот процесс усиливается.На воздухе NО окисляется до . Пути потерь газообразного азота изучены пока слабо, не разработаны эффективные способы их предотвращения, что позволило бы повысить коэффициент использования азотных удобрений.

Фиксация аммония в почве, или необменное его поглощение.

Часть азота, внесенного с удобрениями или находящегося в почве, поглощается некоторыми минералами из группы гидрослюд. Механизм закрепления аммония в необменной форме можно представить следующим образом. При увлажнении почвы кристаллическая решетка минерала расширяется и аммоний вначале поглощается обменно, но может проникать внутрь ее, занимая свободные радикалы. При подсушивании почвы катионы аммония, попавшие внутрь решетки минерала, оказываются как бы сжатыми, т.е. фиксированными. Его трудно вытеснить различными растворителями. Не поддается он и действию нитрифицирующих бактерий. Такой фиксированный аммоний становится малодоступным для растений, поэтому его принято считать условно потерянным.

О возможности необменной фиксации аммония почвы известно давно, однако очень мало данных о практическом значении фиксации аммония, об условиях, способствующих закреплению аммония в почве, о части аммония удобрений, которая может быть потеряна в результате необменного поглощения, и о части фиксированного аммония, которая может освобождаться и быть доступной растениям.

Содержание фиксированного аммония в почвах различно.Так,в пахотном слое содержание его колеблется от 130 до 350 кг/га. При этом если в верхнем слое почвы фиксированный азот составляет 2 - 7% общего, то в подпочве доля его повышается до 30-35%.Этообъясняется тем, что с углублением резко снижается количество гумуса, а следовательно, и азота в органическом веществе. Удельный вес фиксированного аммония от общего количества азота заметно возрастает. Процентное соотношение между органическим углеродом и азотом в поверхностном слое почвы часто остается постоянным и составляет 10:1. С глубиной это соотношение сужается и может достигать 5:1, что объясняется, прежде всего,увеличением количества фиксированного аммония по профилю почвы.

По некоторым данным, способность почвы фиксировать аммоний в необменном состоянии зависит от природы содержащихся в ней глинистых минералов, температуры среды, реакции почвенного раствора, наличия гумуса в почве, от микробиологической активности почвы, степени ее увлажнения и других факторов.Например, при температуре 20-24°С фиксация аммония некоторыми почвами составляет 0,21, а при 100°С - 2,47 ммоль/100 г, т.е. почти в 12 раз больше, а при пятикратном попеременном увлажнении и высушивании образцов подзолистой почвы при 100°С в опытах А.В.Петербургскою количество фиксированного аммония повышалось до 3,44 ммоль/100 г почвы.

Фиксирующая способность почв в отношении этого катиона возрастает с увеличением показателя рН. Поэтому на кислых почвах фиксация аммония бывает значительно меньшей, чем на щелочных. Максимальна она на солонцах. Возрастает фиксация аммония и в почвах с большим содержанием гумуса, который, очевидно, связывает аммоний химически, что отличается от обычного понимания его фиксации.

В процессе обмена веществ и дыхания корни растений и микрофлора выделяют в почву ионы водорода, который способствует извлечению и усвоению растениями фиксированного почвами катиона аммония. Этому же способствуют и катионы кальция, магния, натрия, которые при введении их в кристаллическую решетку минералов расширяют ее и этим самым улучшают усвоение растениями фиксированного аммония.

Фиксирующая способность почвы при определенных условиях - величина довольно постоянная. Если почву предварительно обработать, например, калийной солью, то последующая фиксация аммония заметно уменьшится. Фиксированный аммоний имеется не только в почвах, но и в материнских породах. В почвах он может быть естественно фиксированным и фиксированным при внесении азотных удобрений; последний более доступен растениям, чем первый.

Способность почв фиксировать аммоний проявляется при наличии глинистых минералов с трехслойной кристаллической решеткой, особенно вермикулита. Природный же фиксированный алюмосиликатами аммоний плохо доступен высшим растениям и нитрифицирующим бактериям, в то время как свежефиксированный глинистыми минералами из внесенных аммиачных удобрений аммоний более подвижен и может усваиваться ежегодно в количестве 10-20%. Нитрификация же фиксированного аммония обычно бывает очень низкой и часто не превышает 20% в год даже при длительном компостировании,

Глава 3. Роль азота в питании растений

Азот -- важнейший питательный элемент всех растений. В среднем его в растении содержится 1-3% от массы сухого вещества. Он входит в состав таких важных органических веществ, как белки, нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, хлорофилл, алкалоиды, фосфатиды и др. В среднем содержание его в белках составляет 16- 18% от массы.

Нуклеиновые кислоты играют важнейшую роль в обмене веществ в растительных организмах. Они являются также носителями наследственных свойств живых организмов. Поэтому трудно переоценить роль азота в этих жизненно важных процессах у растений. Кроме того, азот является важнейшей составной частью хлорофилла, без которого не может протекать процесс фотосинтеза, а следовательно, не могут образовываться важнейшие для питания человека и животных органические вещества. Нельзя не отметить также большое значение азота как элемента, входящего в состав ферментов - катализаторов жизненных процессов в растительных организмах.

Азот входит в органические соединения, в том числе в важнейшие из них - аминокислоты белков. Азот, фосфор и сера вместе с углеродом, кислородом и водородом является строительным материалом для образования органических веществ и, в конечном счете, живой ткани.

Содержание азота в растениях существенно изменяется в зависимости от вида растений, их возраста, почвенно-климатических условий выращивания культуры, приемов агротехники и т.д. Например, в семенах зерновых культур азота содержится 2-3%, бобовых 4-5%. Наибольшее содержание азота отмечается в вегетативных органах молодых растений. По мере их старения азотистыевещества передвигаются во вновь появившиеся листья и побеги. При этомв первой половине вегетации, когда формируется надземная масса, в вегетативных органах синтезируются азот - содержащие органические вещества, идет процесс новообразования белкови рост растений. В дальнейшем пшеницы, например, после цветения происходят более интенсивный гидролиз азотсодержащих органических веществ в вегетативных частях растений и передвижения продуктов гидролиза и репродуктивные органы, где они расходуются на образование белков зерна.

При достаточной обеспеченности растений пшеницы, кукурузы, ячменя влагой и фосфором коэффициент пересчета содержания азота в листьях в конце цветения и содержания азота в зернах составляет для различных сортов пшеницы, а также для кукурузы и гороха 0,90-0.96. Высокая зависимость между содержанием азота в листьях и в зерне при азотном голодании растений позволяла своевременно провести позднюю азотную подкормку.

Доступные растениям азотистые соединения образуются главным образам из органического вещества почем в результате его разложения. Количество органического вещества зависит от вида угодья. Интенсивное использование пашни путем введения паропропашных севооборотов приводит к систематическому уменьшению содержания органического вещества в почве. С введением бобовых трав в севообороты, с посевом сидератов или внесением навоза содержание органических веществ в почве возрастает. Большие запасы азота в органическом веществе находятся в почве под лугами и сенокосами; при распашке же происходит интенсивная иx минерализация.

На склонах потери гумуса в почве значительно увеличиваются. Это объясняется не только интенсивной минерализацией органических веществ при сельскохозяйственном использовании пашни, но и наличием плоскостной водной эрозии. Например, на склонах через 35 лет после распашки залежи чернозем теряет 3% гумуса и больше. Главный источник азота в почве - перегной (гумус), но он непосредственно не используется на питание растений, так как азот в нем находится в недоступной форме.

В гумусе содержится около 5% азота. Этот азот является основным источником питания растений: в минеральной форме азота содержится небольшое количество - 1-3%. Верхние слои почвы более обогащены гумусом, и основная часть азота при минерализации перегноя именно из этих слоев используется на питание растений. О количестве органического азота в пахотном слое различных почв можно судить по данным табл. 4.5.

Содержание органического азота в пахотном слое (поТюрину)

Д.С. Орлов и П.A. Гришина (1978) разработали систему показателей гумусного состояния почв, позволяющую обеспеченность и темпы гумификации, обеспеченность почв гумусом и азотом, качество гумуса и т.д. По этим показателям в определенной степени можно характеризовать плодородие почвы.

Запасы азота в почве пополняется в основном в результате азотфиксирующей способности свободноживущих и клубеньковых микроорганизмов и поступления его с атмосферными осадками.

Наиболее значительное количество азота накапливается в почве благодаря жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых растений. На 1 га ежегодное накопление азота может достигать при возделывания клевера 150-160кг, люпина - 160-170, люцерны - 250-300, сои - 100, вики, гороха, фасоли - 70-80 кг. Размеры фиксации зависят от вида бобового растения, урожая, реакция почвы и других факторов.

Для повышения продуктивности симбиотической азотфиксации используют нитрагин - препарат, содержащий специально от селекционированные высокоактивные штаммы клубеньковых бактерий. Необходимость инокуляции бобовых растений нитрагином объясняется следующими причинами. Бобовые культуры, впервые вводимые в той или иной зоне, вследствие узкой специфичности бактерий к растению-хозяину оказываются лишенными своего симбионта и не могут быть накопителями азота и атмосферы, а полностью переходят на питание азотом за счет почвы и удобрений. В таких случаях нитранинизация обязательный прием агротехники бобовых культур. Кроме того, дли длительное пребывание а почве клубеньковых бактерий без растения-хозяина, а также в неблагоприятных условиях среды (повышенная кислотность почвы, засухи или затопление, недостаток элементов минерального питании, источников энергетического материала и т.д.) приводит к снижению их азотфиксирующей активности.

Целесообразность применения нитрагина вызвана еще и тем, что наряду с активными штаммами Rizobiumв почвах довольно широко распространены неактивные и малоактивные клубеньковые бактерии, которые не могут обеспечить бобовые растения биологическим азотом. Неактивные и малоактивные штаммы клубеньковых бактерий составляют 1/3 и больше. Поэтому применение нитрагина, содержащего высокие титры активных селекционных штаммов клубеньковых бактерий, один из главных приемов повышения не только урожайности бобовых культур, но и уровни накоплении общего и биологически связанного азота в растениях и почве.

Препарат клубеньковых бактерий производят главным образом на стерильном торфе, в 1 г которого содержится в среднем 3-4 млрд бактерий. На почвах, где долгое время возделываются основные бобовые культуры, применение нитрагина дает следующие прибавки урожаи: зерна сои 2- 4 ц/га, гороха и люпина 1 - 2, зеленой массы бобовых культур 80 - 100, сена клевера и люцерны 50 ига Использование этого приема существенно увеличивает и содержание белка в урожае бобовых культур.

Для создания оптимальных условий симбиоза клубеньковых бактерий часто необходимо вносить под бобовые культуры не большие «стартовые» (20- 30 кг/га) дозы азота. Минеральный азот в повышенных дозах (90-120 кг/га) играет отрицательную роль. Эффективность возрастает при достаточном содержании в почве фосфора, калия, а также микроэлементов - молибдена, бора, кобальта, железа. Необходимы также нейтральная или слабокислая реакция почвенного раствора и оптимальная влажность почвы, в которую посеяны семена бобовых растений. Потому применение фосфорно-калийных удобрений, известкование кислых почв, применение молибденовых, борных и кобальтовых удобрений создают оптимальные условия для бобовых растений и для их симбиоза с клубеньковыми бактериями.

Фиксация азота несимбиотическими (свободноживущими) микроорганизмами зависит от многих причин. Факторы, ограничивающие жизнедеятельность,а следовательно, и активность этих микробов, следующие: 1) недостаток в почве усвояемых углеводов; 2) отсутствие достаточного количества других питательных веществ (в частности, фосфора и калия); 3) кислая реакция почвы; 4) низкая температура; 5) недостаток или избыток влаги в почве; 6) условия аэрации (Clostridiumpacterianum, например, живет в анаэробных условиях,Azotobacterchroococcum и другие - в аэробных). Перечисленные микроорганизмы способны в среднем накапливать в год 5- 15 кг связанного азота на 1 га. Величина азотфиксации свободно-живущими бактериями для различных почвенно-климатических условий составляет от 7,5 до 42,0 кг азота на 1 га за год. Размеры иесимбиотической азотфиксации под рисом достигают 60-70 кг на 1 та за год, причем в затопляемых почвах под растениями риса фиксируется до 57-63 кг азота на 1 га, в незатопляемых - 3-7 кг азота на 1 га за сезон, а без растений в затопляемых почвах азотфиксация составила 23-28 кг/га.

Фиксированный микроорганизмами в ризосфере не бобовых растений азот атмосферы участвует в их питании, как и азот, фиксированный клубеньковыми бактериями. При внесении невысоких доз азота и инокуляции почвенными микроорганизмами усвоение небобовыми растениями составляло 7 - 16% от общего выноса этого элемента растениями. При внесении высоких доз азота фиксация атмосферного азота под небобовыми культурами и усвоение его растениями снижаются (Шабаев, 1985). Связывать атмосферный азот могут также грибы, водоросли, находящиеся в симбиозе с некоторыми высшими растениями.

Запас азота в почве в некоторой степени пополняется азотом атмосферных осадков. Обычно он поступает в виде аммиака и отчасти нитратов. Эти соединения азота образуются в атмосфере под действием грозовых разрядов. По данным большинства определений, с осадками на каждый гектар ежегодно поступает от 2 до 11 кг азота,

Перечисленные источники пополнения природных запасов азота представляют несомненный практический интерес, но они доставляют лишь часть азота, который выносится с урожаями сельскохозяйственных культур. Поэтому необходимо принимать меры для оптимального увеличения плодородия почвы и, прежде всего, пополнения в ней запасов азота. Наиболее ощутимый и реальный путь - внесение органических и минеральных удобрений.

Недостаток азота в питании растений, как правило существенно проявляющийся визуально (цв. ил. 1, 2, 29), часто является фактором, лимитирующим рост урожая. И как не вспомнить слова Д.Н. Прянишникова (1945): «Усвояемый азот почвы, если не принимать особых мер, увеличивающих его содержание, в настоящее время является на земле главным ограничивающим фактором жизни».

В природе существуют многочисленные пути потерь азота. Основные из них следующие: 1) иммобилизация, т.е. потребление азота почвенной микрофлорой; 2) выщелачивание (прежде всего нитратных форм азота) в грунтовые воды; 3) улетучивание аммиака, окислов азота и молекулярного азота в воздух; 4) фиксация аммония в почве, или необменное его поглощение.

Фиксированный аммоний почвы - это не безвозвратно потерянный азот, задача агрохимической науки заключается в том, чтобы изыскать пути возможно большего вовлечения его в хозяйственный баланс азота, большего использования его растениями.

Источниками азота для растений могут служить соли азотной и азотистой кислот (нитраты, нитриты), аммиачные формы азота, некоторые органические соединения азота - мочевина и аминокислоты. Бобовые растения, как известно, с помощью клубеньковых бактерий усваивают молекулярный азот атмосферы (). Однако в какой бы форме ни поступал бы азот, в процессе питания растений, в синтезе аминокислот, белков и других азотсодержащих органических веществ он может принимать участие только в восстановленной форме - в виде аммония. Поэтому поступивший в растения нитратный азот в результате окисления углеводов восстанавливается до аниона азотистой кислоты, а затем до аммиака. Аммиачный же азот, поступивший непосредственно из почвы в растение в виде аммиачной соли, т.е. аммония, или же восстановленный из ни фатов и нитритов, не накапливается, а при участии органических кислот идет на синтез различных аминокислот.