Лекція 2 Азотний режим ґрунту

1. Вступ

   Азотний фонд ґрунту складається з органічних і мінеральних сполук азоту, які містяться в ґрунті, визначається генетичними властивостями ґрунтів, залежить від швидкості мінералізації органічних речовин, хімічних перетворень. Основна частина азоту міститься у вигляді складних органічних речовин, на частку яких припадає 93-97% загального його вмісту, і лише 3-7 % складають мінеральні сполуки.

     Вміст загального азоту в орному шарі різних ґрунтів коливається від 0,05 до 0,30 % і прямо залежить від наявності в них органічної речовини. Найбільше його міститься в чорноземах типових глибоких Лісостепу і чорноземах звичайних північного Степу. Найменший його вміст у дерново-слабкопідзолистих і середньопідзолистих ґрунтах Полісся.

     Основним джерелом азоту в ґрунті є відмерлі залишки рослин, тварин і мікроорганізмів. У процесі сільськогосподарського використання ґрунтів додаткова кількість азоту надходить з органічними і мінеральними добривами. Залежно від характеру й напряму ґрунтотворного процесу і виробничої діяльності людини загальний запас азоту в орному шарі ґрунту коливається від 2 до 8 т/га, а в метровому шарі – від 4 до 30 т/га.

      За вмістом загального азоту ґрунти України поділяють на шість класів:

1. дуже низький (0,05–0,07 %),
2. низький (0,07–0,12),
3. знижений (0,12–0,17),
4. середній (0,17-0,20),
5. підвищений (0,20-0,25),
6. високий (0,25 % і більше).

2. Органічна речовина ґрунту.

В органічній речовині ґрунту розрізняють:

• негуміфікована органічна речовина, яка складає 10-15% загальної кількості органічної речовини. До цієї речовини відносяться нерозкладені і напіврозкладені рештки рослинного або тваринного походження, тіла мікроорганізмів, тому її називають негуміфіковані органічні рештки;
• органічну речовину специфічного походження - гумус, вміст якого становить, відповідно, 85-90% загальної кількості органічної речовини. Гумус є основним резервом накопичення в ґрунті азоту, фосфору, калію, сірки, кальцію, магнію та інших елементів живлення. Загальний запас гумусу коливається від 6,6 до 35,8 т/га залежно від типу ґрунту. Найменший вміст його у підзолистих ґрунтах, найбільший – у чорноземах.

Таблиця 1. Валовий вміст азоту, фосфору і калію в орному шарі ґрунту, %

 (за П.М. Смірновим)

За даними І.В. Тюріна, в окультурені ґрунти щорічно надходить 5-8 т/га рослинних решток. У підзолистих ґрунтах їхня частка складає 7-8 %, у чорноземних – 1-2 % всієї кількості органічної речовини орного шару ґрунту. Маса ґрунтових мікроорганізмів у горизонті 0-20 см коливається від 0,7 до 8 т/га, що становить 1-2 % запасів органічної речовини ґрунту.

Агрохімічна характеристика ґрунтів залежить від географічної широти їх розташування, складу, кислотності, вбирної здатності, водно-фізичних і біологічних властивостей, культурного стану тощо. Все це позначається на кількості гумусу, а також на вмісті валових запасів і доступних форм поживних речовин у біологічно активному шарі (рис. 1).

 Рис. 1. Відносна забезпеченість різних ґрунтів гумусом та поживними речовинами (за А.М. Лебєдянцевим)

У ґрунтах Полісся запаси гумусу в метровому шарі складають 100-200 т/га. Запаси загального азоту в метровому шарі ґрунту становлять 4-6 т/га у супіщаних ґрунтах і 2-3 т/га - в піщаних.

У ґрунтах Лісостепу запаси гумусу в метровому шарі складають: у чорноземах глибоких – 500-600 т/га, у чорноземах опідзолених – 400-450, в темно-сірих грунтах-300-350 т/га. Запаси азоту становлять відповідно 25-30, 20-25 і 15-20 т/га. Запаси загального фосфору (Р₂О₅) в чорноземах глибоких становлять 20-25, в темно-сірих лісових і чорноземах опідзолених – 15-20 т/га. Валовий вміст калію в ґрунтах Лісостепу високий і становить 1,8-2,5% у сухому ґрунті.

У ґрунтах Степу запаси гумусу в чорноземах звичайних складають 330-600 т/га, у чорноземах південних - 300-400 і темно-каштанових ґрунтах - 250-300 т/га. Запаси азоту - відповідно 16-33, 15-20 і 12-15 т/га.

Гумусові речовини по-різному збагачені азотом:

1. Гумінові кислоти, до складу яких входять: вуглець – 52-62%, кисень –31-39, водень – 2,8-6,6, азот – 3,3-5,1%. Негідролізований азот у гумінових кислотах складає 40-50% загальної його кількості.
2. Фульвокислоти, до складу яких входять: вуглець – 45- 48%, кисень – 43-48, водень – 5-6, азот – 1,5-3%. Вони більш рухливі, азотисті речовини сильніше піддаються кислотному гідролізу, становлять 20-40% загального азоту ґрунту.
3. Гуміни за хімічною природою подібні до гумінових кислот. Зв'язані з мінеральною частиною ґрунту, стійкіші проти дії кислот і лугів, містять 20-30% загального азоту ґрунту.

Гумусові речовини гірше мінералізуються в ґрунті, ніж органічні сполуки рослинних решток. Проте процес мінералізації відбувається завжди. За даними багаторічних дослідів, у орному шарі дерново-підзолистих ґрунтів щорічно мінералізується 6-7, а в чорноземах – 10 ц/га органічної речовини. Оскільки азоту в гумусі міститься до 5 %, то на кожну його частину, забрану з ґрунту рослиною, повинна мінералізуватися двадцятикратна кількість гумусу. У ґрунті процеси накопичення гумусу відбуваються за рахунок мінералізації органічних решток. Застосовуючи добрива, можна впливати на кількісний і якісний склад гумусу (рис. 2). 

Рис. 2. Вплив гною на якісний склад гумусу дерново-підзолистого ґрунту, % маси ґрунту (за М.М. Кононовою)

За тривалого систематичного застосування гною і мінеральних добрив у ґрунті помітно зростає вміст органічної речовини і загального азоту. Ступінь накопичення органічної речовини в ґрунті залежить від норм внесення, біологічних особливостей культур сівозміни і грунтово-кліматичних характеристик зони. Так, наявність у сівозміні злакових культур сприяє зменшенню кількості гумусу в ґрунті через інтенсивну мінералізацію, а наявність бобових, навпаки, підвищує вміст у ґрунті органічної речовини.

3. Мінеральні сполуки азоту.

Внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів у ґрунті азот органічних речовин переходить у мінеральні сполуки. Загальні запаси азоту в ґрунті залежать від кількості гумусу, що характеризує потенційну родючість ґрунту. Розкладання органічних речовин ґрунту під впливом різних мікроорганізмів (бактерій, актиноміцетів, плісеневих грибів) до аміаку називається процесом амоніфікації. Типовими представниками мікроорганізмів є Вас.vulgare, Вас. руtriaicus, Вас. subtilis, Вас. mesentericum, Вас. micoides. Представниками плісеневих грибів є Aspergillus, Реnicillium, Тгісhoderma. Під впливом протеолітичних ферментів, які виділяються мікроорганізмами, білки гідролізуються до амінокислот. В свою чергу, амінокислоти під впливом спеціальних ферментів дезамінуються і дезамідуються. Внаслідок цього вивільнюється аміак і утворюються органічні кислоти.

Наприклад,

Органічні кислоти далі розкладаються до СО₂, Н₂О, СН₄ і Н₂, а аміак утворює солі з мінеральними й органічними кислотами, які є в ґрунті:

2 NНз + Н₂СО₃  = ( NН₄)₂СО_3.

Іони амонію  NН₄⁺ вбираються ґрунтовим вбирним комплексом:

Слайди 16-17

Амонійний азот у ґрунті зазнає нітрифікації – окислення аміаку до азотної кислоти та її солей. Нітрифікація відбувається під впливом аеробних бактерій, для яких окислення є джерелом енергії. Спочатку за допомогою бактерій роду Nitrosomonas, Nitrosocystis i Nitrosospira аміак окислюється до НNО₂, а потім бактерії роду Nitrobacter окислюють НNО₂ до НNO₃:

2 NНз + 3 О₂ = 2 НNО₂ + 2 Н₂О;

2 НNО₂ + О₂ → 2 НNОз.

Оптимальними умовами для бактерій-нітрифікаторів є достатня аерація ґрунту, температура 23-28 °С, вологість ґрунту 60-70 % його повної вологоємності, нейтральна або слабколужна реакція ґрунтового розчину.

4. Форми азоту в ґрунті

Отже, азотний фонд ґрунту складається з таких форм азоту:

• мінеральний азот (NН₄⁺, NО₃^-) – доступний для рослин; він характеризує забезпеченість ґрунтів азотом на період визначення;
• легкогідролізований азот ґрунту – резерв для поповнення мінеральних форм азоту; цей азот складається з NН₄⁺, NО₃^-, NО₂^- амідів і амінокислот, характеризує забезпеченість ґрунту азотом протягом усього періоду вегетації;
• важкогідролізований азот – дальший резерв для збагачення ґрунтів на мінеральні форми азоту; цей азот амінів, частина необмінного аміаку та азот гумінів;
• негідролізований азот (гуміни, меланіни, бітуми, необмінний амоній) – майже не бере участі в азотному обміні між ґрунтом і рослиною.

     Висока нітрифікаційна здатність є показником культурного стану ґрунту і характеризує його родючість. Останнім часом забезпеченість рослин оцінюють за нітрифікаційною здатністю ґрунту, яка дає змогу виявити, скільки утворюється нітратів у ґрунті за найсприятливіших умов за певний час. Кількість нітратного азоту, яка накопичується в ґрунті, залежить від вмісту гумусу в ньому, а також від удобрення рослин (рис. 3). Як правило, нітратів утворюється тим більше, чим вища родючість ґрунту.

Рис. 3. Вплив систематичного застосування добрив у сівозміні на інтенсивність нітрифікації орного шару темно-сірого опідзоленого ґрунту (М.В. Козлов і Л.С. Решетник)

Азот рослини використовують як в окисленій, так і у відновленій формі у вигляді солей азотної кислоти і солей амонію. Крім того, рослини використовують розчинні у воді амінокислоти. Приблизний вміст азоту в орному шарі ґрунту наступний (табл. 2).

 Таблиця 2.  Вміст азоту в різних типах ґрунтів України

Ґрунтові відміни нечорноземної зони містять такі кількості азоту: супіщані 0,05-0,07%, суглинкові 0,10-0,20, глинисті 0,10-0,23, торф’яні 0,6-1%. Основна маса азоту ґрунту складається з різних органічних сполук рослинних решток та перегнійних речовин і перебуває в недоступному для живлення рослин стані. Лише близько 1% азоту перебуває у мінеральних сполуках. Багатші на органічну речовину ґрунти, наприклад чорноземи, містять і більше мінерального азоту. Постачання рослин азотом залежить від швидкості мінералізації органічних речовин.

5. Колообіг азоту

     Накопичення азоту в ґрунті відбувається різними шляхами. Насамперед, джерелом азоту для ґрунту є азот атмосфери. Над кожним гектаром земної поверхні в атмосфері є близько 70 тис т азоту. Проте молекулярний азот рослини (крім бобових) не засвоюють. Зв'язується молекулярний азот повітря під час грозових розрядів та азотфіксуючими мікроорганізмами, що вільно живуть у ґрунті, здебільшого бульбочковими бактеріями. Кількість зв’язаного азоту, що утворюється в атмосфері під час грозових розрядів, невелика – до 2-5 кг/га щорічно. Цей азот у вигляді аміаку і нітратів із опадами потрапляє у ґрунт.

     Більше значення має зв’язування (фіксація) молекулярного азоту азотфіксуючими бактеріями (азотобактер, клостридіум тощо). Щорічно вони поповнюють ґрунт від 5 до 15 кг азоту на 1 га. Бульбочкові бактерії, що живуть у симбіозі з бобовими рослинами (біологічний синтез азоту), можуть зв’язувати за вегетаційний період від 70 до 200 кг і більше азоту на 1 га.

Серед польових культур здатністю до симбіотичної фіксації азоту з повітря мають рослини родини бобових. Крім того відомо, що понад 200 видів рослин інших родин також меншою мірою здатні до асоціативної фіксації. Найвищу потенційну можливість до азотфіксації має люцерна. На гектарі в умовах зрошення вона фіксує до 500 кг азоту з повітря при урожайності сіна 25-30 т/га (за рахунок кількох укосів). За середніх урожаїв у богарних умовах 4-5 т/га сіна у ґрунті залишається фіксованого азоту 80-120 кг.

     Значну здатність до азотфіксації має і конюшина, причому із збільшенням врожайності надземної маси помітно підвищується азотфіксація. Можливості нагромадження утилізованого азоту конюшиною становлять від 180 кг при високому врожаю надземної маси до 60-80 кг при врожайності сіна 45-55 ц/га.

     За азотфіксуючою здатністю серед польових культур виділяють люпин (багаторічний та безалкалоїдний однорічний), козлятник східний, лядвинець рогатий та ін. За сприятливих умов симбіозу і врожайності зеленої маси 30-60 т/га може фіксуватися 150-200 кг азоту, а зі зниженням продуктивності цих рослин кількість його в ґрунті знижується до 30-35 кг/га. Зернобобові культури засвоюють значно менше азоту повітря, ніж багаторічні бобові трави внаслідок того, що в них інтенсивна фіксація триває 1,5-2 місяці, а у багаторічних грав — 3-4 місяці.

     Серед однорічних культур найбільшу азотфіксуючу здатність мають люпин білий, кормові боби та соя. За урожайності 300-350 ц/га зеленої маси люпин білий може засвоїти з повітря до 200-220 кг азоту, в той час як люпин жовтий за такої ж продуктивності фіксує на 40-80 кг/га азоту менше.

      Соя та горох за урожайності зерна 30 ц/га засвоюють не більше як 6070 кг азоту на гектарі. Одночасно за такого врожаю зерна на його формування рослини використовують удвічі більше азоту з ґрунту, тобто такі культури не створюють позитивного балансу цього елементу в ґрунті.

Низький рівень азотфіксації пояснюється тим, що бобові культури не вступають в симбіоз з ризобактеріями, або активність симбіозу буває дуже слабкою унаслідок несприятливих екологічних умов. Високу інтенсивність цього процесу досягають за оптимальної вологості, реакції середовища, наявності достатньої кількості фосфору та калію, наявність в ґрунті активних штамів бульбочкових бактерій або при зараженні рослин вірулентними штамами специфічних рас бульбочкових бактерій. Якщо якісь із факторів знаходяться в неоптимальних розмірах, то фіксація азоту проходить слабо або він зовсім не засвоюється.

     Поряд із симбіотичною фіксацією виявлено широке розповсюдження і велике видове різноманіття гетеротрофних бактерій — азотфіксаторів у ґрунтах різних природних зон, в прикореневій зоні і безпосередньо на поверхні небобових і бобових рослин, що дає підстави передбачати їх важливу роль у природі.

       Азот у ґрунті перетворюється внаслідок перебігу таких процесів: мінералізація, тобто утворення мінеральних сполук (амонію, нітратів, нітритів) з органічних речовин, та іммобілізація – перетворення мінерального азоту на органічні азотні сполуки внаслідок використання його мікроорганізмами для будови білка свого тіла. Після відмирання мікроорганізмів азот знову частково мінералізується, а частково закріплюється в гумусі ґрунту. Обидва ці процеси мікробіологічні. У вищих рослин відбувається процес, аналогічний іммобілізації. У зв'язку з цим нормальне живлення рослин азотом залежить від швидкості процесів мінералізації азотовмісних органічних сполук до доступних амонійних і нітратних форм. Процес відбувається під дією ферментів, що виділяються ґрунтовими мікроорганізмами, за такою схемою: білки, гумінові речовини → амінокислоти, аміди → аміак → нітрити → нітрати.

Цей процес здійснюється в два етапи: амоніфікація – органічні азотовмісні речовини розкладаються мікроорганізмами з утворенням аміаку, нітрифікація – аміак за допомогою нітрифікувальних бактерій окиснюється до нітритів і нітратів.

      Амоніфікації піддаються білки, сечовина, хітин, органічні добрива, гумус тощо. Процес здійснюється поступово впродовж усього вегетаційного періоду за доступу та без доступу повітря, за різної реакції середовища і залежить від типу ґрунту, температури, наявності органічних речовин, вологи тощо. Амоніфікацію зумовлюють численні аеробні та анаеробні мікроорганізми – гнильні бактерії, уробактерії, актиноміцети, гриби.

      Мікроорганізми виділяють протеолітичні ферменти, під дією яких білкові речовини розкладаються до амінокислот. Останні легко засвоюються мікроорганізмами і під дією ферментів мікробних клітин (дезаміназ і дезамідаз) піддаються дезамінуванню і дезамідуванню: від аміно- й амідосполук відщеплюється аміак та утворюються різні органічні кислоти, які, у свою чергу, розкладаються до простих сполук – СO2, Н2O, Н2, СН4. Виділений аміак (NH3) утворює солі з органічними і мінеральними кислотами:

2 NH₃ + H₂СО₃ = (NH₄)₂ СО₃;

NH_{3 +} НNО₃ = NH₄ NО₃

Амоній поглинається ґрунтовими колоїдами:

Деяка частина вільного аміаку NH³ виділяється в атмосферу.

     Амоніфікація відбувається за різної реакції ґрунту, в аеробних і анаеробних умовах, але без доступу повітря за сильнокислої і лужної реакції вона різко уповільнюється. На її швидкість впливають також температура і вологість ґрунту.

     В анаеробних умовах розкладання азотовмісних сполук закінчується виділенням аміаку, в аеробних умовах азот аміаку і солей амонію окиснюється до нітратів (солей азотної кислоти). Нітрифікація відбувається в два етапи і здійснюється двома групами нітрифікувальних бактерій. Спочатку нітрифікувальні бактерії (Nitrosomonas, Nitrosolobus та ін.) окиснюють аміак до азотистої кислоти:

2 NH₃ + 3 NH₂ → 2 НNО₂ + 2 Н₂О

Потім бактерії-нітрифікатори (Nitrosobacter, Nitrococcus та ін.) окиснюють азотисту кислоту до азотної:

2 НNО₂  + О₂ = 2НNО₃

Енергію, що виділяється внаслідок цих процесів, бактерії-нітрифікатори використовують для створення органічних речовин свого тіла. Азотна кислота, що виділяється, нейтралізується карбонатами кальцію і магнію або поглиненими основами ґрунту:

Цим пояснюється посилення процесів нітрифікації під час вапнування кислих ґрунтів. За оптимальних умов основна маса амонійного азоту окислюється до нітратів за 2–3 тижні (достатня кількість повітря надходить у ґрунт за 60–70%-ї його капілярної вологоємності, температури 20–30 °С, pH 6–8). У разі зниження температури ґрунту нижче ніж 10–5 °С нітрифікація майже припиняється. В посушливих степових районах інтенсивність нітрифікації підвищують штучним зрошенням, правильним і своєчасним обробітком ґрунту, внесенням органічних, фосфорних і калійних добрив.

       Інтенсивність нітрифікації залежить також від співвідношення в ґрунті С : N (органічного вуглецю і валового азоту). Якщо співвідношення цих елементів менше за 10, то мінералізація відбувається досить енергійно, якщо перевищує 10 (наприклад, у разі внесення в ґрунт соломи або інших органічних решток з низьким вмістом азоту), то розмножуються мікроорганізми, які використовують нітратний азот з ґрунту і його доступність для рослин зменшується.

     Процес нітрифікації в ґрунті вважають показником культурного його стану. За інтенсивних нітрифікаційних процесів у ґрунті створюються оптимальні умови для життєдіяльності як мікроорганізмів, так і вищих рослин.

      Частина газоподібного азоту з ґрунту втрачається внаслідок перебігу мікробіологічних процесів у формі N₂, N₂O, NO, NO₂, NH₃. При цьому переважають втрати азоту у форму N₂ і NO₂. Слід зазначити, що основні втрати азоту з ґрунту пов'язані з денітрифікацією.

       Денітрифікація – відновлення нітратів біологічним або хімічним способом до молекулярного азоту або його оксидів. Цей процес відбувається під дією великої групи бактерій-денітрифікаторів. Бактерії поглинають кисень (O₂) із молекул нітрату, а сам нітрат переходить у різні форми газоподібних сполук азоту, які можуть звітрюватись в атмосферу. Порядок переходу такий:

2NO₃ → 2NO₂ → 2NO → N₂O → N₂.

       Найінтенсивніше він здійснюється в анаеробних умовах, за наявності великої кількості органічних речовин, багатих на клітковину чи інші вуглеводи (солома, соломистий гній), при лужній реакції середовища. Навіть у разі зниження температури ґрунту до 1–5 °С денітрифікація відбувається доволі активно. Збільшення вологості ґрунту з 60 до 90–100 % його вологоємності посилює газоподібні втрати азоту добрив у 1,5-2,5 раза. Тому цю особливість потрібно враховувати при внесенні азотних добрив восени і напровесні, коли ґрунт тривалий час насичений вологою. В таких умовах денітрифікувальні бактерії окиснюють вуглеводи до СO₂, використовуючи для цього кисень нітратів. Процес дихання за рахунок нітратів дає змогу розмножуватися бактеріям навіть в анаеробних умовах.

       Газоподібні втрати азоту можливі також при деяких хімічних реакціях між проміжними продуктами розкладання, що утворюються в процесі нітрифікації, біологічної денітрифікації, та іншими органічними сполуками. Від інтенсивності цих процесів значною мірою залежать загальні запаси накопиченого в ґрунті азоту. Рослини живляться азотом лише із його ґрунтових запасів.

       Сполуки азоту в ґрунті весь час перетворюються, тобто створюється колообіг азоту в природі і господарстві. Цей колообіг можна розглядати як внутрішньоґрунтовий, внутрішньогосподарський і геологічний. У першому випадку переміщення азоту відбувається в межах ґрунту. Рослини використовують азот у вигляді іонів  NО₃^-, NН₄⁺ з ґрунтового розчину. Після розпаду рослинної біомаси азотовмісні сполуки рослинних решток, під впливом амонійфіксуючих бактерій, перетворюються на NH₃ і NО₃^- і піддаються подальшим хімічним перетворенням. Так формується переміщення по колу (рис. 4-6).

Рис. 4. Колообіг азоту

Рис. 5. Азотний цикл у природі без втручання людини (надходження перевищує витрати) (В.Г. Мінєєв, 1986)

Слайд 20

У внутрішньогосподарському колообігу беруть участь і тварини. Азот, що виноситься з ґрунту, повертається в ґрунт разом з гноєм. Гній мінералізується з утворенням амонійного азоту, який піддається подальшим перетворенням.

Рис. 6. Азотний цикл у природі з втручанням людини  (витрати перевищують надходження) (В.Г.Мінєєв, 1986)

      Геологічний колообіг охоплює ширше коло процесів. Так, нітрати разом з опадами потрапляють у річки й моря, де є елементами живлення для морських рослин, а через них - і тварин. Після розкладання органічних решток і мінералізації утворюється амоній, який у формі аміаку потрапляє в атмосферу. Останній разом з опадами знову повертається в ґрунт і включається у колообіг.