Скачать (77,3 Кб)

Азот почвы: стратегия и тактика

Доктор биологических наук Д. С. Орлов, кандидат химических наук И. Н. Лозановская
Химия и Жизнь №3, 1982 г., с. 27-30

Усвояемый азот почвы, если не принимать особых мер, увеличивающих его содержание, в настоящее время является на земле главным ограничивающим фактором жизни.
Академик Д. Н. Прянишников

Запасы азота в природе обильны и разнообразны. В земной атмосфере его содержится 3,75•10¹⁵ тонн, в осадочных породах - 4,06•10¹⁴ м, в Мировом океане - 2,02•10¹³, в растительности - 1,1•10⁹, в животном мире - 6,1•10⁷ тонн.

Почва удерживает в себе 15•10¹⁰ тонн азота. Даже дерново-подзолистая, одна из самых бедных почв Европейской части нашей страны, в 20-сантиметровом пахотном слое содержит 2-4 тонны азота на каждом гектаре. А пшеница при средних урожаях забирает с гектара всего около 70 кг азота. Стало быть, его запасов в Нечерноземье могло бы хватить лет на 50-60. Знаменитый русский чернозем накопил на каждом гектаре 20-30 тонн азота и более; этих запасов хватило бы лет на 300-400.

А человечество тем не менее тратит огромные средства на производство азотных удобрений.

В чем же дело?

СЕЗАМ НЕ СПЕШИТ ОТКРЫВАТЬСЯ

Азот присутствует в почве в самом широком ассортименте. Газообразный азот составляет примерно такую же часть почвенного воздуха, как и воздуха атмосферного. И так же, как от азота атмосферы, растениям от него мало что достается. Только бобовые могут им воспользоваться, поскольку на их корнях обитают азотфиксирующие клубеньковые бактерии. Гектар гороха или фасоли накапливает в почве ежегодно 70-80 кг азота, гектар клевера - 100- 150, люпина - 160-170, люцерны - 250-300 кг.

В почве есть еще и свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы, но их вклад в азотную копилку невелик - всего несколько килограммов на гектаре.

Минеральные соединения азота - нитраты калия и кальция, различные соли аммония - легко растворимы и вполне доступны растениям, но как раз их-то в почве очень немного: от следов присутствия до десятков миллиграммов в килограмме. От всего азота почвы это составляет 1-5%.

Больше всего - до 90% азота пахотных слоев - заключено в органических соединениях. Из этого количества около 10% входит в состав аминокислот, амидов и аминосахаров. А поскольку эти вещества неплохо растворяются в слабокислой почвенной среде, азот из них тоже достается растениям сравнительно легко.

Куда более прочно связан азот тех специфических гумусовых веществ, которые накапливаются в почве благодаря бактериям и грибам. Основательно потрудившись над останками растений, животных, микроорганизмов, эти жители почвы превращают их в гумусовые кислоты, гуматы кальция, железа и алюминия, а также в гумин и фульвокислоты, по-разному связанные с минералами.

Наиболее подвижны из всего этого фульвокислоты. Они содержат 10-20% всего почвенного азота, но достается он растениям лишь после того, как фульвокислоты разложатся. И то из выделившихся при этом свободных аминокислот растения могут усвоить лишь часть. Зато аммонификация фульвокислот дает в итоге аммиак, а это уже законная и легкая добыча растений. Вообще аммонификация - едва ли не основной путь извлечения азота из гумусовых веществ, а также из белков растительных и животных остатков.

Сложнее добыть растениям азот из гуминовых кислот, а там его тоже 10- 20% от общего количества этого элемента в почве. К нему корни могут подступиться лишь после долгой работы ферментов.

И уж вовсе за семью печатями находится азот гумина, поскольку эта часть гумуса не растворяется ни в воде, ни в щелочах, ни в кислотах, ни в органических растворителях.

Гумин (так же, как и гуминовые кислоты) сложен из пяти- и шестичленных ароматических циклов, которые не по зубам большинству почвенных микроорганизмов. Меньшинство штурмует основу структуры гумина не без успеха, однако с большим трудом, поскольку ароматические "ядра" защищены сложной системой боковых алифатических цепей.

А ведь именно на долю гумина приходится более половины всего азота почвы. Вот и получается, что богатые азотные кладовые земли далеко не так широко открыты, как хотелось бы.

Естественно возникает вопрос: не лучше ли вместо того, чтобы постоянно вносить удобрения, научиться делать доступными для растений огромные природные запасы почвенного азота? Ведь мало того, что удобрения надо произвести, затратив на это уйму средств, - с ними в почву попадают разные примеси и балластные вещества, к которым растения, да и сама почва, далеко не всегда безразличны.

В принципе это дело вполне осуществимое. Агротехническими приемами можно регулировать влажность почвы, ее температурный режим, насыщенность кислородом, кислотность. Значит, можно создать микроорганизмам все условия для того, чтобы они работали быстрее и разлагали гумус ускоренно. Тогда, разумеется, растения получат гораздо больше доступного азота.

Только что за этим последует?

НЕ ТОРОПИТЕ ЕГО ЖИТЬ

В естественном распределении азота по "группам доступности" есть свой глубокий смысл. Труднорастворимые соединения - это резервы питания, в них - плодородие полей будущего. Очень медленно разлагаясь, они выдают растениям азот постепенно, зато надежно.

Искусственно торопить эти процессы очень опасно. Ведь в сложном хозяйстве почвы все взаимосвязано. Важнейшая его часть - гумус - не просто источник питания растений. Это еще и "цемент", склеивающий отдельные частицы и делающий почву рыхлой, комковатой, доступной для воды, воздуха, тепла, удобной для работы микроорганизмов. Быстрое разложение гумуса лишь ненадолго улучшит питание растений. А затем начнется неотвратимое: разрушение структуры, интенсивное высыхание, выветривание почвенных минералов, и - на теле Земли появится еще одно пятно искусственной пустыни, оставленное неумелым хозяйничаньем.

Правда, иногда, если труднодоступным азотом почва очень уже богата (так бывает, например, на некоторых черноземах, луговых или пойменных землях), в разумных пределах все же можно использовать часть этих стратегических запасов. И лучшим способом мобилизации излишков является, как это ни парадоксально, внесение в почву минеральных удобрений.

В полной мере это было выявлено сравнительно недавно, когда в агрохимии стали применять метод меченых атомов. До тех пор считалось, что азот минеральных удобрений растения усваивают на 80% - это вычисляли просто по разнице содержания его в урожае, снятом с удобренных и неудобренных делянок. Изотоп 15N, добавленный к удобрениям, показал нечто совсем иное: только 30-60% азота в урожае было меченым, остальной был взят растениями непосредственно из почвы.

И самое интересное: растения, получившие искусственную подкормку, извлекали из почвы больше природного азота, чем неподкормленные. Это понятно: на удобренном поле у них развиваются мощные корни, проникающие за питательными веществами дальше - и вширь, и вглубь. Лучше работает и микрофлора, разлагающая гумусовые вещества, а значит, высвобождается больше аммонийного и нитратного азота.

Но извлечение азота из основных природных запасов в больших масштабах - путь не основной. Основным же является регулярное внесение удобрений, и тем в больших дозах, чем беднее почвы.

НА ВЕТЕР, В ВОДУ, ЗА РЕШЕТКУ

К сожалению, азотные удобрения действуют в почве очень недолго: уже на следующий год их влияние на урожай не превышает 20% первоначального. И все потому, что внесенный азот очень плохо удерживается почвой.

Прежде считалось, что почва теряет азот лишь потому, что он вымывается, выщелачивается в виде нитратов. Было известно, что небольшую часть внесенной селитры разрушают анаэробные бактерии, выделяя молекулярный азот в воздух, но предполагалось, что эти потери незначительны.

Меченые атомы показали иное. Выяснилось, что выщелачивание - не основной путь потерь: оно опасно на легких почвах при высокой влажности, и то лишь тогда, когда поля не заняты растениями. Зато бактерии разрушают внесенную селитру гораздо чаще, чем предполагалось: не только в анаэробных условиях и не только в щелочной среде. Бактерии-денитрификаторы очень интенсивно восстанавливают нитраты до различных окислов и молекулярного азота, и этим путем - буквально на воздух - с полей теряется ежегодно в среднем по стране 1,5 млн. т азота.

Вот так и уходит зря этот важный элемент, и - что особенно обидно - больше всего весной, вскоре после того, как его внесли. Растения не успевают им воспользоваться, поскольку в это время нет еще даже всходов.

Есть еще один путь потерь азота: катионы аммония с почвенным раствором попадают внутрь кристаллической решетки глинистых минералов, набухающих от влаги, а когда минерал высыхает, решетка "зажимает" аммоний. Чаще всего фиксируют азот таким образом вермикулиты и монтмориллониты, а каолиниты вовсе не обладают такой способностью. Стало быть, полезно знать минералогический состав почвы, прежде чем вносить в нее азотные удобрения. Простой прием - запашка удобрений плугом в глубь почвы - помогает уберечь азот от фиксации, поскольку в глубине почва меньше сохнет.

Гуминовая кислота (вероятное строение фрагмента которой показано на рисунке) - одно из самых устойчивых органических соединений почвы: ее возраст, определенный радиоуглеродным методом, достигает в подзолах и черноземах сотен и тысяч лет. В ядре гуминовой кислоты атомы азота входят в гетероциклы или прямо связаны с бензольными кольцами

Аммоний, попавший в решетку минералов из удобрений, растения все-таки могут понемногу извлекать. Но там же находится природный аммоний, зажатый куда более крепко и растениям почти не доступный. Дело в том, что глинистые минералы поглощают еще и другие катионы - калия, кальция, магния, и наиболее прочная связь образуется при взаимодействии первых порций катионов, поскольку они взаимодействуют с самыми активными адсорбционными центрами. Аммоний же из удобрений минералы поглощают тогда, когда большая часть адсорбционных центров уже занята, а потому он не может проникнуть далеко вглубь кристаллической решетки и связывается слабее.

Фиксированного аммония в почве много, и это уже никак не относится к стратегическим запасам. Поэтому агрохимики ищут пути вовлечения его в активный азотный баланс, поскольку свойств почвы это никак не ухудшит.

Чтобы бороться с потерями азота, содержащегося в удобрениях, часто достаточно простых приемов. Например, раз улетучивается и выщелачивается этот элемент в основном тогда, когда на поле нет растений, его поглощающих, значит, не стоит вносить удобрения слишком заблаговременно. И уж совсем неразумно делать это в конце зимы, когда почва насыщена влагой.

Есть и другие, в том числе чисто химические приемы. Так, в последнее время вместе с аммиачными удобрениями в почву стали вносить ингибиторы нитрификации - вещества, подавляющие этот процесс на определенный срок. За рубежом широко применяются два ингибитора: 2-хлор-6-трихлорметил-пиридин, выпускаемый в США под названием "N-serve", и 2-амино-4-хлор-6-метилпиридин, выпускаемый в Японии под названием "AM". Под влиянием этих веществ в почве накапливается больше аммонийного азота, который растения полнее усваивают.

Ингибиторы нитрификации испытаны и у нас в стране, но в производство пока не внедрены. Проведены, например, четырехлетние испытания дициан-диамида, дибромацетанилида и смеси пиридинов на дерново-подзолистых почвах. Эти три ингибитора заметно сокращали газообразные потери азота и повышали эффективность азотных удобрений.

СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА

Почва - живой организм. И, как все в природе, она развивается в основном так, что становится лучше, плодороднее. Основа такого развития - биологический круговорот, в котором организм и среда обитания - единое целое.

Разумное сельское хозяйство обязано стремиться к тому же результату: пахотные почвы должны не терять плодородие, а увеличивать его. Запасы почвенного азота - важнейшее из условий плодородия. И у природы, и у человека стратегия здесь едина: создание большого долговременного резервного фонда. Но фонд - отнюдь не "замороженный капитал": какая-то часть его должна непрерывно и постепенно поступать к растениям, и столь же непрерывно он должен пополняться за счет либо природных процессов, либо удобрений.

Отсюда - тактические задачи: ускорение оборота азота в системе почва - растение без нарушения основного резерва; предупреждение потерь азота; пополнение его запасов за счет удобрений. Такая тактика обеспечит бездефицитный баланс азота в земледелии - и сегодня, и в будущем.