Факультет

Студентам

Посетителям

Азот в земледелии

Вода, углерод и азот — основные конституэнты живого вещества и главные носители плодородия почв. Удобрительное значение селитры и навоза в земледелии известно с древнейших времен.

Однако лишь исследованиями Буссенго и Либиха в первой половине XIX в. была показана роль азота, фосфора, калия в повышении урожаев растений; но, как отмечает Д. Н. Прянишников (1945), только Буссенго и позже Гельригель доказали, что бобовые растения обладают способностью усваивать атмосферный азот и обогащать им почвы. Ими в Европе на смену трехполью были введены четырехпольные (норфолькские) севообороты с культурой клевера, люцерны, люпина и других бобовых. Как известно, это позволило удвоить урожаи зерновых культур в Западной Европе без минеральных удобрений. Необходимость иметь бобовые культуры в ротации севооборота является общепризнанным условием продуктивного земледелия. Эффективность минеральных удобрений возрастает вдвое-втрое при наличии бобовых в севооборотах и в сочетании с органическими удобрениями.

Симбиотическая фиксация азота широко представлена в мире растений. При высоких урожаях бобовые за год накапливают в почвах 100—300 кг/га азота и оставляют до 10—20 т органической биомассы. Кроме бобовых, у которых роль клубеньковых бактерий на корнях особенно выражена, сходные образования обнаружены на корнях или листьях десятков других видов растений. Из небобовых древесных Casuarina equisetifolia активный аккумулятор азота (до 60 кг/га). Установлено также, что микориза на корнях растений играет определенную роль в фиксации азота атмосферы. Возможно, в будущем удастся эффективно использовать этот механизм в земледелии. Многолетние бобовые растения содержат до 1/3 связанного азота в корневой массе и оставляют этот азот в почве. В однолетних бобовых растениях почти весь азот находится в наземной биомассе, поэтому их прямая удобрительная роль меньше.

Как отмечено выше, значительная роль в балансе азота почв принадлежит свободно живущим бактериям. Гетеротрофные микроорганизмы, фиксирующие азот в почвах разных природных зон, принадлежат к родам Spirillum, Clostridium, Enterobacter, Azotobacter, Desulfovibrio (Rosswal, 1978). Их эффективность тем выше, чем больше в почвах энергетического материала (гумуса, свежих органических остатков, навоза). Корневые выделения и отмирающие тонкие корешки растений также являются энергетическим материалом для деятельности гетеротрофных фиксаторов азота. Суммарно бактерии группы Clostridium и группы Azotobacter в год могут фиксировать до 50 кг/га азота. Заправка почв органическими удобрениями (по 20—30 т/га) позволяет поднять фиксацию азота свободного живущими микроорганизмами вдвое-второе (Федоров, 1952). Органические удобрения при этом обеспечивают также повышение концентрации углекислоты в приземном воздухе полей, что увеличивает продуктивность фотосинтеза. Это дает до 10 млн. т азота в год на 100 млн. га пахотной площади. Для мировой площади земледелия (1,5 млрд. га) эта величина втрое превышает размеры фиксации азота промышленностью (50—60 млн. т/год).

Фиксация молекулярного азота клубеньковыми бактериями и свободно живущими микобактериями особенно возрастает на окультуренных почвах в присутствии органических веществ: гумуса, соломы, стерни, а также глюкозы, аспарагиновой кислоты (Федоров, 1952). Усиливают рост и деятельность клубеньковых бактерий молибден, бор, медь, осмий, рутений. Минеральные удобрения (фосфор, кальций, калий) также улучшают деятельность клубеньковых бактерий. Присутствие нитратов, высокая кислотность почв, наоборот, подавляют фиксацию азота бобовыми. В пахотных почвах, используемых без органических удобрений, происходит потеря запасов азота. Во многих почвах США, Канады, Индии за столетие содержание азота уменьшилось на 40—50% (Jenny, Raychaudhury, 1960). То же наблюдается на старопахотных черноземах Европы.

Фиксация азота свободно живущими и симбиотическими бактериями является универсальным и в то же время недорогим механизмом обогащения агроэкосистем этим элементом и поддержания плодородия почв. Размеры суммарной фиксации азота варьируют в зависимости от вида растений, от условий местности и погоды, от свойств почв и колеблются в пределах 100—400 кг/га в год. Годовая потребность сельскохозяйственных растений при средних урожаях близка к этой величине. О возможных факторах, ограничивающих размеры фиксации азота в почвах, можно судить по данным таблице (Dommergues, Garcia, 1980).

Факторы, снижающие интенсивность фиксации азота на полях (на примере Африки)

Факторы

Меры устранения

Недостаток влаги в почвах

Увлажнение, засухоустойчивые формы

Недостаток органических веществ в почве

Внесение органических удобрений

Заболевание и вредители (нематоды и др.)

Пестициды, биологический контроль

Кислотность и токсичность почв (Al, Mn, соли)

Известкование, органические удобрения

Недостаток минерального питания, особенно фосфора, молибдена

Внесение удобрений и микроудобрений, стимулирование микоризы

Отсутствие или недостаток соответствующей формы бактерий

Инокуляция нужных форм

Судьба азота после его биогенной фиксации определяется характером превращения органического вещества, климатом местности, пищевыми цепями и их звеньями, аэробностью среды, образованием гумуса, аммиака, нитритов, нитратов и их повторным поглощением растениями и микроорганизмами. Минеральные соединения азота: нитраты, нитриты, аммонийные соли угольной и серной кислоты—высокорастворимы и очень легко вымываются из почвы нисходящим, боковым и поверхностным стоком, поступая в грунтовые, речные, морские воды. Почвы не сорбируют анионы NO3, NO2 (отрицательная адсорбция). Лишь аммоний закрепляется в некоторых количествах в почвах в качестве обменного и малообменного катиона.

Аммиак — газообразное соединение азота — легко улетучивается из почв. Местные и региональные потоки аммиака с пастбищ, скотных дворов, населенных пунктов, с удобренных полей уходят в атмосферу. То же происходит с газообразными продуктами денитрификации: различными окислами азота, молекулярным азотом — они также уходят из почвы и экосистем в атмосферу. С этой точки зрения биогеохимия азота неблагоприятна для земледелия.

Денитрификация и выщелачивание ведут к потере почвами до 40—60% вносимого азота. Все это создает в почвах обстановку постоянного и практически почти повсеместного дефицита азота, столь необходимого для питания культурных растений на полях. Исключение составляют богатые гумусом почвы мира: черноземы, брюниземы, луговые почвы долин, перегнойно-карбонатные почвы (рендзины), которые благодаря природной высокой гумусности активно продуцируют нитраты и длительное время обеспечивают урожаи растений без минеральных удобрений. Однако после 50—100 лет такого использования и после потери запасов гумуса эти почвы уже не могут обеспечить устойчивые высокие урожаи, так как эмиссия углекислоты, фиксация и запасы азота, образование нитратов в них резко снижаются. Поэтому возникла необходимость широкого применения органических и минеральных удобрений и поддержания в пахотных почвах положительного баланса гумуса.

Доказательством энергетической зависимости процессов фиксации азота от наличия органического вещества в почвах является известная закономерная связь содержания азота и гумуса. В среднем содержание азота в органическом веществе почв составляет около 10% (7—12%). Поэтому содержание азота в почвах в общем пропорционально содержанию в них гумуса. Конечно, существуют отклонения от этой закономерности, вызванные специфическими особенностями местности и почвообразования. Известны, например, нитратные солончаки (NO3 до 3—15%) в пустынях Чили, Перу, Аравии, Узбекистана. Они почти не имеют гумуса, но обогащены нитратами и хлоридами, поступившими из грунтовых вод.

При всем значении биогенного азота в повышении плодородия почв было бы ошибкой недооценить значение азота минеральных удобрений. Мировой опыт развития земледелия за минувшие десятилетия показал огромную роль минеральных удобрений в повышении урожаев продовольственных и технических культур. Азотным удобрениям, в среднем составляющим 50% их мировой продукции, в этом принадлежит определяющая роль (Fink, 1982). Развитые индустриальные страны и развивающиеся страны после второй мировой войны удвоили и утроили урожаи и валовые сборы зерновых культур благодаря интенсивному (в 3—5 раз) увеличению применения минеральных удобрений и введению высокоурожайных и требовательных к питанию сортов растений. Появилось даже известное пренебрежение к биогенным факторам почвенного плодородия (гумусу, бобовым травам в севооборотах, органическим удобрениям). Односторонний рост норм азотных, фосфорных, калийных удобрений сопровождался растратой почвенного гумуса, увеличением кислотности почв и нарастанием дефицита кальция, ослаблением почвенной биохимии, эмиссии CO2 и уменьшением фиксации биогенного азота. Прирост урожаев по всем мире стал замедляться, а колебания их уровня усиливаться. Это явление наблюдается на полях США, Канады, Австралии.

Земледельцы Америки и Западной Европы увеличили внимание к биологическим факторам почвенного плодородия (бобовые в севообороте, сидерация, навозные удобрения, повышение содержания гумуса). Это течение получило даже специальное название «organic farming» — «органическое земледелие». Между тем если обратиться к научному наследию классиков мирового земледелия Э. Д. Расселя (1955), Д. Н. Прянишникова (1945) , ВР. Вильямса (1931), то мы найдем в их трудах настойчивые указания на необходимость рационального использования и сочетания биологических факторов почвенного плодородия (плодосмен, бобовые, органическое вещество) и минеральных удобрений как главной основы прогрессивного повышения урожаев на полях. Наиболее убедительно это показано Д. Н. Прянишниковым, который настаивал на том, что для повышения урожаев хлебных злаков и технических культур нужно идти двумя путями: вносить минеральные удобрения (особенно азот) и вводить севообороты с бобовыми (биологический азот). К этому необходимо добавить и третий путь — обильные органические удобрения (возвратный азот и несимбиотический фиксированный азот). Эти же положения можно найти в работах Е. Н. Мишустина (Биологический азот…, 1967, 1968) и А. В. Соколова (1971).

Глубокая и экспериментально хорошо обоснованная концепция роли биологической фиксации азота развита известным индийским ученым HP. Даром (Dhar, 1974). Регулярное обогащение почв полей свежим органическим веществом (корни, солома, навоз), поддержание в них запасов гумуса и добавление кальцийфосфатов (фосфориты, доменные шлаки, костная мука), по данным Н. Дара, в несколько раз увеличивают эффективность минеральных удобрений и орошения в условиях Индии. Органические удобрения и бобовые в севообороте позволяют по крайней мере вдвое снижать потребность в минеральных удобрениях и значительно удешевлять продукцию.

Управление круговоротом и балансом азота в агроэкосистемах, оптимизация его уровня в почвах — одна из основных задач рационального земледелия. Регулирование циклов азота в земледелии должно базироваться на понимании генезиса и динамики почв и на обеспечении сбалансированных источников поступления азота в почвы с учетом требований растений в ротации и ожидаемого урожая (бобовые в севооборотах, биогенная фиксация, возврат и повторное использование азота органических веществ и минеральных удобрений). Кроме того, должны быть обеспечены агромероприятия, способствующие удержанию соединений азота в почвах (увеличение запасов гумуса, исключение эрозии почв и смыва удобрений, сохранение на полях стерни и других растительных остатков, ослабление денитрификации).

В условиях хорошо организованного хозяйства общая сумма соединений азота за вегетационный период для получения высокого урожая основных культур должна складываться примерно из 80—120 кг/га азота удобрений и 150—200 кг/га азота биогенного. Это составит 200—300 кг/га азота, что обеспечит высокий урожай растений и перекроет неизбежные потери азота из почв на денитрификацию и выщелачивание на 30—50%.

По расчетам Д. Н. Прянишникова (1945) и по опыту передовых хозяйств СССР, для покрытия потребностей земледелия в биогенном азоте необходимо в ротации сельскохозяйственных культур иметь около 25% бобовых. Вместе с навозными удобрениями (возвратный и дополнительно фиксированный азот) и минеральным азотом это в совокупности гарантировало бы оптимальный уровень азотного питания растений.

Таким образом, с точки зрения оптимизации углеродно-азотного баланса пахотных почв, стабильности их плодородия и роста урожаев травосеяние в севооборотах и животноводство (как поставщик животных белков и комплексных органических удобрений) являются абсолютно необходимым компонентом высококультурного продуктивного сельского хозяйства. Следует всегда иметь в виду, что каждая тонна хороших органических удобрений (в пересчете на сухой вес) содержит 3—4 · 106 ккал связанной энергии. Это дает возможность микроорганизмам фиксировать 10—15 кг/га азота (кроме связанного в органической массе) и одновременно отдавать в приземную атмосферу поля 4—5 т углекислоты, столь необходимой для фотосинтеза биомассы.

Из этого анализа следуют очень важные практические выводы. Для средних урожаев зерновых хлебов порядка 30 ц/га в СССР, исходя из нормативов Д. Н. Прянишникова, годовая потребность в азоте составляет около 14,5 млн. т, а для урожаев 40—50 ц/га общая потребность в азоте составляет 20—22 млн. т. Для того чтобы покрывать эту потребность в азоте, недостаточно азота производимых в СССР в ближайшей перспективе минеральных удобрений. Необходимо всемерное расширение практики использования в земледелии страны азота органических удобрений (навоз, компосты, зеленые удобрения — сидерация, сапропели, отходы сахароварения и др.), азота биогенной фиксации (бобовых трав, свободно живущих микроорганизмов), азота растительных остатков (стерня, рубленая солома) и азота почвенного гумуса (землевание почв, защита от эрозии).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: