Круговорот и баланс азота в земледелии

Образовавшиеся в почве минеральные соединения азота не накапливаются в ней в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в органическую форму. Внесение азотных удобрений не только значительно увеличивает содержание азота в почве, но и способствует усилению минерализации органического азота. Как показали исследования, проведенные с использованием стабильного изотопа азота ¹⁵N в полевых условиях растения усваивают из удобрений 40 – 50 % азота. В органической форме в почве закрепляется 10 – 20 % азота нитратных и 30 – 40 % аммиачных и аммонийных соединений и мочевины. Превращение азота в органические формы резко возрастает при запашке в почву органических веществ с низким содержанием азота (пожнивные растительные остатки, солома злаковых и соломистый навоз). Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому действие азотных удобрений в последействии незначительно – 2 – 3 %.

Для закрепления нитратного азота в почве особое значение имеет биологическое его поглощение (микроорганизмами, растениями). Нитраты могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками, дренажными водами. Из связных по гранулометрическому составу почв обычно вымывается с 1 га 3 – 5 кг, из легких, особенно если это пар, – до 20 – 30 кг. В основном теряется газообразный азот. Потери азота из аммиачных удобрений составляют около 20 %, нитратных – до 30 % от внесенного.

Для снижения потерь азота почвы и удобрений из-за денитрификации и вымывания нитратов используются ингибиторы, которые тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме.

При поверхностном внесении твердых аммонийных удобрений и мочевины могут теряться и аммиачные формы азота. Однако при своевременной и правильной заделке удобрений в почву значительных потерь удается избежать.

Азот в почве пополняется за счет органических и минеральных удобрений, биологического азота, азота атмосферных осадков, азота, поступившего с семенами. В настоящее время в Беларуси с органическими удобрениями в почву возвращается только 35 – 40 % азота, выносимого возделываемыми культурами.

Связывание молекулярного азота воздуха происходит двумя способами. Небольшое количество связанного азота образуется в атмосфере во время грозовых разрядов и в форме азотистой и азотной кислот поступает в почву с осадками (до 3 – 5 кг на 1 га). Второй способ – усвоение азота воздуха свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами почвы (азотобактер, клостридиум), ризосферными микроорганизмами (ассоциативная азотфиксация), клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых. На основе азотбактера (свободноживущего азотфиксатора) методами генной инженерии в Институте генетики и цитологии НАН Республики Беларусь создан бактериальный препарат ризофил. В государственных испытаниях этот препарат при замене 21 % азота удобрений биологически фиксированным азотом повышал урожайность томатов и огурцов в среднем на 26 %.

Объемы биологического азота, продуцируемого свободноживущими микроорганизмами почвы, весьма значительны и в зависимости от количества органических удобрений и корневых и пожнивных остатков растений, почвенно-климатических условий могут составлять 15–50 кг/га и более. Основная масса биологического азота остается в почве и включается в состав гумуса.

Высокие дозы минеральных удобрений (более 60 кг/га) резко снижают продуктивность свободноживущих микроорганизмов. Депрессия длится 2–2,5 мес после внесения удобрений, затем уровень азотфиксации восстанавливается. В почвах с высоким содержанием гумуса (больше 2,5%) депрессия не наблюдается.

Улучшить азотное питание небобовых культур (кукуруза, пшеница, ячмень, многолетние злаковые травы и др.) способны ассоциативные азотфиксаторы. Эти микроорганизмы размещаются в верхних слоях корневой системы растений и в благоприятных условиях могут обеспечить до 45 % потребности растений в азоте. Оптимизируя свойства почвы и внося органические удобрения, продуктивность природной популяции ассоциативных азотфиксаторов (без внесения их в виде бактериальных удобрений) можно повысить в 2–4 раза. Бактериальные удобрения на основе ризосферных азотфиксаторов (Ризобактерин С, Азобактерин) в опытах Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, кафедры агрохимии УО «БГСХА» в среднем за три года дали прибавку урожайности ячменя 3 – 10 ц/га, яровой пшеницы 3 – 5 ц/га, сена многолетних трав на 10 – 20 %. В ряде случаев обработка семян ячменя препаратом на основе азоспириллы была эквивалентна действию 30–60 кг/га минерального азота.

Значительно большее, чем ассоциативные азотфиксаторы, значение для пополнения почвы азотом имеют клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями. Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений. Так, клевер при хорошем урожае может накапливать 150 – 250 кг азота, однолетние зернобобовые – 150 – 200, люцерна – 250 – 350 кг на 1 га. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных и корневых остатках и после их минерализации может использоваться культурами, следующими в севообороте после бобовых. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, люцерна на каждый ц основной продукции (зеленая масса) усваивает из атмосферы за вегетацию 0,40 кг, клевер – 0,35, люпин (зерно) – 5,0, горох, пелюшка, соя (зерно) – 2,5, многолетние бобово-злаковые смеси на пашне (зеленая масса) – 0,20 кг азота.

Процесс связывания молекулярного азота из атмосферы азотфиксирующими микроорганизмами выяснен еще не в полной мере. В настоящее время большинство исследователей придерживается мнения, что восстановительный путь фиксации молекулярного азота (через аммиак) при различных вариантах промежуточных этапов является наиболее обоснованным. Основным ферментом, осуществляющим процесс азотфиксации является нитрогеназа. У бобовых культур нитрогеназа находится в клубеньковых бактериях, приобретающих внутри клубенька форму бактероидов.

У большинства микроорганизмов нитрогеназа инактивируется кислородом, причем Fe-белок более чувствителен к кислороду, чем Mo-Fe-белок. Для реакции восстановления азота необходимо наличие нитрогеназы, АТФ, источника электронов и ионов Mg²⁺. Процесс биологической фиксации азота сопряжен с гидролизом АТФ, при этом образуется АТФ с ионами магния. Большинство исследователей считают, что на фиксацию 1 молекулы азота затрачивается 15 молекул АТФ. Предложена гипотетическая схема ступенчатого восстановления азота до аммиака через диимид и гидразин (Харди) и другие гипотезы.

Биохимия нитрогеназы окончательно неясна до тех пор, пока не будут описаны реакции на молекулярном уровне. Недостаточно изучено, как энергия от гидролиза АТФ сочетается с переносом электронов к нитрогеназе, как происходит комплексование и восстановление молекулы азота, не до конца ясен механизм участия в этом процессе металлов, в том числе молибдена.

К настоящему времени уже сложилось вполне определенное представление о процессах, происходящих в биологических системах при фиксации молекулярного азота. Однако необходимо дальнейшее изучение биологических восстановителей азота, промежуточных продуктов фиксации, локализации этого процесса и его структурной организации. Проблема фиксации молекулярного азота азотфиксирующими микроорганизмами комплексная: она затрагивает микробиологию, агрономическую и биологическую химию, физику и химию, молекулярную биологию, а также молекулярную генетику.

Для повышения азотфиксирующей способности бобовых культур применяют бактериальное удобрение Сапронит. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, обработка семян бобовых Сапронитом дает прибавку зерна бобовых культур (люпина, гороха, вики, кормовых бобов) 1,5–3 ц/га, сена клевера – 2–5, люцерны – 5–12 ц/га. Более эффективен Сапронит на легких почвах, в которых менее активна природная популяция азотфиксаторов.

Активизации биологической азотфиксации способствуют известкование кислых почв, оптимизация фосфорного и калийного питания растений, внесение физиологически оправданных доз минерального азота или его полное исключение. Оптимальными для люцерны, клевера, гороха, вики, кормовых бобов является пятая группа кислотности, для люпина и сераделлы –четвертая. Наиболее эффективен Сапронит на почвах четвертой–пятой групп по обеспеченности фосфором. Максимальную прибавку от Сапронита бобовые культуры давали при внесении 20–40 кг/га минерального азота, при увеличении дозы до 60 кг/га она была вдвое меньше и практически отсутствовала при внесении 90–120 кг/га азота. Поэтому при интенсивной системе земледелия внесение азотных удобрений под бобовые культуры, как правило, не рекомендуется.

Определенный вклад в обеспечение азотного питания сельскохозяйственных культур вносит несимбиотическая азотфиксация. Для дерново-подзолистых пахотных почв Беларуси средний норматив, по данным Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, составляет 15 кг/га в год.

Несмотря на значительную фиксацию азота бобовыми культурами, в среднем этот источник азотного питания пока невелик – 4 – 6 кг/га в расчете на всю посевную площадь страны. Небольшое количество азота (около 3 кг/га) поступает с семенами. Суммарное поступление азота из всех источников не компенсирует выноса его урожаями сельскохозяйственных культур и потерь из почвы из-за вымывания и денитрификации. Поэтому для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции большое значение имеет внесение в почву минеральных азотных удобрений.