Круговорот и баланс азота в земледелии

Минеральные соединения азота в почве подвижны. Их запас и трансформация являются результатом многочисленных, часто взаимозависимых физических, физико-химических и биологических процессов круговорота азота.

В целинных почвах естественных биоценозов протекает замкнутый цикл круговорота азота и других биогенных элементов. Он включает приходные статьи:

поступление азота с растительным опадом и остатками корней;
экскрементами и останками животных;
биологическую фиксацию атмосферного азота микроорганизмами;
поступление с атмосферными осадками (образование NO₃^- и NH₄⁺ под действием грозовых разрядов и промышленные выбросы).

Расходные статьи:

потребление азота растениями;
инфильтрация;
денитрификация;
потери от водной и ветровой эрозии;
иммобилизация азота — превращения минерального азота в органический, (в этом случае азот не теряется, а переходит в недоступную для растений форму).

Для природных биоценозов обычно характерен уравновешенный баланс азота и других биогенных элементов. Потери от вымывания и денитрификации компенсируются его поступлением с осадками и биологической азотфиксацией.

В результате распашки почв азотный режим претерпевает изменения: расходные части баланса резко возрастают. Большое количество азота отчуждается с сельскохозяйственной продукцией. Интенсивная обработка почвы приводит к усилению минерализации органического вещества, увеличению потерь от инфильтрации, денитрификации и эрозии. В условиях достаточного и избыточного увлажнения, орошения, особенно на лёгких почвах, увеличивается расход нитратов на вымывание из корнеобитаемого слоя в дренажные воды. Суглинистые и глинистые почвы, богатые гумусом, лучше удерживают воду, поэтому вымывание нитратов незначительное — до 3-5 кг/га нитратного азота в год. На лёгких по гранулометрическому составу, особенно в паровом поле, потери нитратного азота от вымывания достигают 20-30 кг/га в год.

Потери газообразных форм азота от денитрификации также существенные. Процесс денитрификации протекает в анаэробных условиях. Распашка устраняет эти условия, однако разрыхлённая почва состоит из отдельных структурных агрегатов (комков), внутри которых создаются анаэробные условия. Процесс денитрификации тем интенсивнее, чем больше непоглощённых растениями нитратов накапливается.

Баланс азота

Особенностью баланса азота в системе почва — удобрение — растение является подвижность его соединений. Азот — биогенный элемент, имеющий естественные источники пополнения запасов в почве: биологическая фиксация симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами. При любой системе удобрений бездефицитный баланс азота является условием получения высокого урожая.

Баланс азота рассчитывается по уравнению:

$${Б_N = (N_у + N_с + N_б + N_{ро} + N_о) - (N_в + N_{ро} + N_п),}$$

где Б_N — баланс азота, кг/га N.

Приходные статьи баланса:

N_у — поступление с удобрениями N_у = (N_м + N_op), где N_м — поступление с минеральными удобрениями;
N_op — поступление с органическими удобрениями;
N_с — поступление с семенами (посевным материалом);
N_б — поступление от биологической фиксации, N_б = (N_сим + N_нсим);
N_сим — поступление от симбиотической фиксации;
N_нсим — поступление от фиксации свободноживущими микроорганизмами;
N_ро — поступление с растительными остатками;
N_о — поступление с атмосферными осадками.

Расходные статьи:

N_ву — вынос с урожаем основной и побочной продукции;
N_ро — вынос с растительными остатками;
N_п — потери из почвы N_п = (N_пв + N_пэ), где N_пв — потери от вымывания;
N_пэ — потери от эрозионных процессов.

Азот, поступающий с семенным материалом, и вынос с основной и побочной продукцией определяются аналитическим способом или по справочным данным. Поступление азота с семенным материалом зависит от культуры, норм высева, содержания азота в семенах, севооборота. Так, при посеве зерновых с семенами поступает 4-6 кг/га азота, зернобобовых — 8-15 кг/га, картофеля — 9-12 кг/га. В зависимости от типа и специализации севооборота за ротацию с посевным материалом вносится 20-50 кг/га азота.

Согласно Е. П. Трепачёву, поступление азота от бобовых культур рассчитывается по формуле:

$${N_{об} = \lbrack \lparen 2,5 \cdot M_{пк} \rparen \%N + \lparen M_{пу} \%N \rparen \rbrack К_ф - N_у \lparen 1 - К_ф \rparen ,}$$

или

$${N_{об} = N_б - N_в}$$

где N_oб — обогащение почвы биологическим азотом, кг/га;
N_б — биологический азот растительных остатков (кг/га);
2,5 — коэффициент поправки на полноту учёта органического вещества;
М_пк — масса сухих пожнивно-корневых остатков (ц/га);
М_пу — масса потерь урожая за все укосы (ц/га);
K_ф — коэффициент азотфиксации, то есть отношение количества фиксированного азота к общему;
N_y — общий азот в урожае сена (кг/га) за все периоды выращивания бобовых;
N_в — вынос азота урожаем бобовых (кг/га).

Биологический азот растительных остатков (N_б) определяется по формуле:

$${N_б = \lbrack \lparen 2,5 \cdot М_{пк} \rparen \%N + \lparen M_{пy} \%N \rparen \rbrack К_ф.}$$

Вынос азота бобовыми культурами:

$${N_в = N_у \lparen 1 — К_ф \rparen.}$$

Пример.

Урожайность сена клевера за 3 года составляет 129,7 ц/га при средневзвешенном содержании азота 2,7%. Суммарное потребление азота клевером составит:

$${129,7 \cdot 2,7 = 350,2 кг/га.}$$

Пожнивно-корневые остатки (М_пк) после третьего года жизни клевера составляют 71,8 ц/га сухого вещества с содержанием общего азота 2,3%, масса потерь урожая за все укосы (М_пу) — 4,1 ц/га сухого вещества и содержанием общего азота 2,8%, усреднённый коэффициент азотфиксации (K_ф) — 0,74. Таким образом:

$${N_{oб} = \lbrack \lparen 71,8 \cdot 2,5 \rparen \cdot 2,3 + \lparen 4,1 \cdot 2,8 \rparen \rbrack \cdot 0,74 — 350,2 \cdot \lparen 1 — 0,74 \rparen ,}$$

обогащение почвы азотом составит N_oб = 222,9 кг/га.

Коэффициент азотфиксации (K_ф) по данным исследований для клевера, люпина, эспарцета равен 0,7, для люцерны — 0,8, для гороха и вики — 0,6. Коэффициент азотфиксации пожнивных остатков зернобобовых — 0,3-0,4; пожнивно-корневых остатков бобовых трав — 0,5-0,7. Условно можно принимать содержание азота в пожнивно-корневых остатках равным половине его содержания в надземной массе.

Источником азота является азотфиксация свободноживущими гетеротрофными и сапрофитными микроорганизмами. В разных почвенно-климатических условиях от несимбиотической азотфиксации связывается: в зоне северной тайги и тундры — несколько килограммов на 1 га азота, в дерново-подзолистых и серых лесных почвах — 15-20 кг/га, в чернозёмах — 30-40, в тропиках и субтропиках — до 80 кг/га.

Потери азота от эрозии почв, внутрипочвенного стока и инфильтрации в глубокие слои почвы определяют по справочным данным.

Таблица. Ориентировочные размеры потерь азота почвы в зависимости от крутизны склона и культур (Трепачёв и др., 1976).

Крутизна склона в градусах	Культура	Потери азота, кг/га
менее 1°	Пропашные	5-10
Зерновые яровые	3-5
Зерновые озимые	2-3
Многолетние травы	0
1-2°	Пропашные	10-15
Зерновые яровые	5-8
Зерновые озимые	3-5
Многолетние травы	2-3
2-4°	Пропашные	15-30
Зерновые яровые	8-15
Зерновые озимые	5-10
Многолетние травы	3-5

Минимальные потери азота при разном гранулометрическом составе от инфильтрации равны (% от внесенного): тяжелосуглинистый — 0-0,5%; среднесуглинистый — 0,5-1,5%; супесчаный — 2,0-4,0%; песчаный — 5,0-8,0%.

Источники поступления азота и его трансформация в почве

Естественными источниками поступления азота являются: деятельность азотфиксирующих свободноживущих и клубеньковых бактерий и поступление с атмосферными осадками.

С атмосферными осадками ежегодно в виде аммиака и нитратов, образующихся под действием грозовых разрядов, поступает 2-11 кг азота на 1 га. Естественные источники азота представляют практический интерес, но их количество значительно меньше выносимого с урожаем количества азота.

Важную роль в обеспечении растений азотом играют запасы гумуса, в которых содержится около 5% азота. На долю минеральных форм азота приходится около 1-3%. На пахотный слой приходится наибольшая доля гумуса, который обогащён микрофлорой и из которой поступает основная часть минерализованного азота для питания растений.

Аммонификация — микробиологический процесс трансформации азота органического вещества в аммонийные соединения. Аммонийные соли окисляются в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий (Nitrosomonas spp. и Nitrobacter spp.) в нитраты и нитриты. Для нормальной жизнедеятельности этих групп бактерий требуется обеспечение оптимальных условий: температуры 25-32 °С, достаточного количества кислорода и воды, кислотности почвы, близкой к нейтральной. Это достигается рыхлением почвы, применением органических удобрений и известкованием кислых почв. Проведение этих приёмов позволяет активизировать процессы трансформации азота из органического вещества и сократить его потери. Нарушение этих требований приводит к противоположному эффекту — переходу азотных соединений в газообразные аммиак и азот, то есть активизирует процессы денитрификации.

Другим приёмом регулирования баланса азота в почве является применение бактериальных препаратов (ризоторфин).

Потери азота

Содержание азота в минеральной форме очень динамично и зависит от активности микрофлоры почвы, влажности, фазы развития растений.

Потери азота складываются из:

иммобилизации, то есть поглощение азота микрофлорой почвы;
выщелачивания — вымывание азота, преимущественно нитратных форм в грунтовые воды;
улетучивание в виде аммиака в атмосферу;
фиксация аммонийных форм почвой или необменное поглощение.

Процесс иммобилизации протекает особенно интенсивно при внесении органических удобрений с широким соотношением углерода и азота — 20-25:1. Плазма микробов содержит значительно большее количество азота (10:1), вследствие чего потребление азота микрофлорой происходит за счёт органического вещества и минеральных запасов почвы. В целях компенсации влияния иммобилизации азота микроорганизмами, при запашке соломы или других растительных остатков богатых целлюлозой перед посевом последующих культур добавляют дополнительно около 1% минерального азота.

Иммобилизация азота может иметь положительное значение на лёгких почвах с достаточным увлажнением, благодаря закреплению подвижных форм азота в условиях сильной их вымываемости. В дальнейшем, при разложении остатков микроорганизмов, часть закрепленного азота связывается гумусовыми соединениями, другая часть переходит в минеральные формы.

Вымывание подвижных форм азота, преимущественно нитратов, актуально на лёгких по гранулометрическому составу почвах с низким уровнем органического вещества в условиях достаточного, избыточного увлажнения и орошения. Культуры сплошного посева снижают этот эффект благодаря интенсивному поглощению азота, тогда как в паровых полях эффект вымывания усиливается.

Потери азота в виде газообразных веществ происходят вследствие денитрификации, то есть восстановления нитратного азота до аммиака и газообразного азота в результате деятельности денитрифицирующих микроорганизмов. Деятельность денитрификатор активизируется анаэробными условиями, когда микробы вынуждены использовать для дыхания кислород, находящийся в нитратной форме, восстанавливая азот до свободной формы. Процесс денитрификации стимулируется также щелочной реакцией среды, избыточным содержанием органического вещества с высоким содержанием глюкозы и клетчатки, высокой влажностью почвы.

Другим путём потери азота в виде газообразных форм (диоксида и монооксида азота) является разложение нитритов при кислотности почвы ниже 6.

Суммарные потери азота могут достигать 50%. При разложении 1 т гумуса образуется 50 кг/га азота, однако часть его теряется в атмосферу в виде газообразного аммиака. Особенно это актуально при несоблюдении технологии хранения и применения навоза, навозной жижи и других органических удобрений, при этом потери достигают 30-40%.

Часть азота потребляют сорные растения, причём это количество может превосходить потребление культурными.

Для предотвращения потерь азота, и следовательно, сокращения нерациональных затрат, необходимо оптимизировать дозы, формы и сроки внесения азотных удобрений под каждую культуру севооборота, равномерно распределять и заделывать их в почву.

Фиксация азота почвой

Часть азота может поглощаться некоторыми минералами из группы гидрослюд. В увлажнённом состоянии кристаллическая решётка этих минералов обменно поглощает аммонийный азот, но при подсыхании связывает его, делая малодоступным для растений и микрофлоры. По данным А.В. Петербургского и В. Н. Кудеярова, в пахотном слое содержится от 130 до 350 кг/га фиксированного азота в зависимости от типа и разновидности почвы. Верхний слой содержит 2-7% фиксированного аммония от общего количества, в подпочве его доля повышается до 30-35%. Объясняется это снижением содержания гумуса в глубоких слоях, а следовательно, и азота в органическом веществе.

На способность почв необменно связывать аммоний влияет вид глинистых минералов, температуры среды, содержание гумуса, реакции почвенного раствора, микробиологическая активность, влажность. Фиксация аммония возрастает с увеличением температуры, pH (максимально на солонцах), содержания гумуса (химическое связывание). На связывание азота влияет содержание глинистых минералов с трёхслойной кристаллической решеткой, прежде всего вермикулита.

Фиксированный аммоний может вытесняться обратно в почву при определенных условиях, например, введении в кристаллическую решетку катионов кальция, магния, натрия.

Литература

Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000
Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002