Лекція 2 Азотний режим ґрунту

     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.