Азот формы содержания элемента в почве
Азот – один из самых необходимых для растений химический элемент. Присутствует повсеместно в свободном или связанном состоянии. Азотные удобрения выпускаются в различных формах и применяются для основного и предпосевного внесения – как поверхностного, так и на подкормку. Только 1 % азота почвы находится в легко усваиваемых растениями минеральных формах, поэтому применение азотных удобрений – важное условие для сохранения и повышения плодородности сельскохозяйственных земель.
Содержание:
Многие известные научные открытия были сделаны двумя учеными, которые работали независимо друг от друга, и такие случаи довольно многочисленны. Однако в том, что касается открытия элемента азота, приоритет пришлось отдавать одному из трех известных химиков. Все они выделили азот из воздуха, используя немного различающиеся методики получения, и сделали это практически в одно и то же время, в конце XVIII века.
Англичанин Генри Кавендиш пропускал воздух над раскаленным углем, сжигая кислород, а затем фильтровал его через раствор щелочи, чтобы избавиться от примеси углекислого газа. В итоге он получил газ, не поддерживающий дыхание и горение, и названный им «мефитическим воздухом». Джозеф Пристли поместил в закрытый сосуд горящую свечу и описал образование аналогичного газа, который назвал «флогистированным воздухом». Однако их соотечественник Даниэль Резерфорд оказался более предприимчивым и менее медлительным: получив свой «удушливый воздух», он тут же опубликовал открытие и описал методику получения вещества. В результате все современные школьники знают, что азот был открыт Резерфордом, а заслуги талантливых химиков Кавендиша и Пристли, увы, оказались частично преданы забвению.
Что же касается названия элемента, то его предложил француз Антуан Лоран Лавуазье, и этот термин в полной мере отражает суть наблюдений всех трех ученых, которые впервые изучали его свойства. Слово состоит из двух частей: приставки «а», означающей отрицание, и корня слова «зое», которое переводится с греческого как «жизнь». Безжизненный, не дающий жизнь – вот что «азот» значит в смысловом переводе.
Известный ученый и был прав, и ошибался одновременно. Пусть газообразный азот и не поддерживает дыхания, однако он образует множество органических веществ, из которых построены компоненты живых клеток, в первую очередь, молекулы белка. Это определяет абсолютную незаменимость азота для жизни на Земле и делает его одним из главных макроэлементов живой клетки, наряду с кислородом, водородом и углеродом. [7]
Физические и химические свойства
Азот – химический элемент V группы системы Менделеева. Атомный номер – 7, атомная масса – 14,0067. Природный азот составлен из двух стабильных изотопов. [6]
Азот – бесцветный газ, не имеющий запаха.
В воде малорастворим, легче воздуха. Молекулярный азот химически малоактивен. При комнатной температуре взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует с кальцием, магнием, титаном. Реакция взаимодействия с водородом проходит под воздействием высоких температур, высокого давления и в присутствии катализатора, с кислородом – при температуре 3000–4000°С.
Наибольшее значение из соединений с водородом имеет аммиак – газ без цвета с характерным запахом нашатырного спирта.
С кислородом азот образует ряд оксидов: закись азота N2O, окись азота NO, диоксид азота NO2, азотистый ангидрид N2O3. [3]
Содержание в природе
Крупные залежи натриевой селитры NaNO3 находятся в Чили на берегу Тихого океана. Это единственное в мире крупное месторождение, содержащее неорганическое соединение азота.
Элемент входит в состав всех живых организмов. Его содержание обнаруживается в каменном угле (1,0–2,5 %), нефти (0,2–1,7 %). Азот не поддерживает дыхание и горение, однако значение азота в жизнедеятельности растений и животных огромно. В белках его содержится до 17 %. Более того, без азотной составляющей белки не существуют. [3]
Круговорот азота в природе
Содержание азота в различных типах почв
На долю органических соединений – белков, аминов, амидов, аминокислот и прочих – приходится 93–95 % почвенного азота. Однако органический азот практически недоступен растениям и становится усваиваемым ими только после минерализации.
Минеральный азот, входящий в состав нитратных и аммиачных форм, накапливается в почве в результате процессов аммонификации и нитрификации, которые осуществляют различные группы микроорганизмов.
Разложение азотистых органических соединений в различных типах почв проходит по единой схеме:
белки → гуминовые вещества → аминокислоты → амиды → аммиак → нитриты → нитраты
Скорость минерализации основного запасного фонда азота – органических веществ почвы – зависит от многих факторов: влажности почвы, температурного режима, кислотности, характера органического вещества. Поэтому количество образующихся минеральных форм азота постоянно пребывает в динамичном состоянии. Максимальное количество накапливается в весенний период, наиболее благоприятный по режиму температуры и влажности для нитрификации. Однако нитраты – подвижные соединения, и они могут вымываться из почвы или подвергаться биологической денитрификации (образованию газообразных форм). В результате почва теряет часть азота.
Валовое содержание азота в почве сильно варьирует и зависит от типа почвы, гранулометрического состава, запасов органики, режима увлажнения и степени окультуренности почвы.
Содержание общего азота тем больше, чем больше содержание гумуса. Кроме того, содержание доступного элемента значительно возрастает при окультуривании почвы.
Дерново-подзолистые почвы
Содержание и запасы азота в метровом слое данных почв суглинистого состава в 2–2,5 раза больше, чем в песчаных. Кроме того, содержание азота снижается в нижележащих горизонтах.
Содержание и запасы азота в дерново-подзолистых почвах, согласно данным: [2]
Глубина взятия образца,
Гумус,
Общий азот,
Запасы общего азота,
Фиксированный аммоний
Среднесуглинистая почва на моренном суглинке
Питание растений азотом и движение его в почве
Питание растений азотом и движение его в почве
Удобрение азотом: особенности и применение
Азот является питательным веществом, которое больше всего влияет на урожай. Однако, если он неправильно применяется (в несоответствующее время, форме или дозе), естественный цикл приводит к его ненужной утрате. Это снижает эффективность оплодотворения, а затраты на азотные удобрения и их применение не приведут к ожидаемому урожаю.
Чтобы понять сложность использования азота в производстве растений и его влияние на экосистему, стоит вспомнить азотные превращения в почве. На условия трансформации азота влияют свойства почвы, а также характеристики погоды. Однако трудно прогнозировать погоду в долгосрочной перспективе, поэтому необходимо учитывать текущие условия года в отношении удобренных культур, дозы и формы применяемого азота. Поэтому, как правило, невозможно подготовить «гарантированный» метод внесения удобрения для удобрения азотом, но можно опираться на знания о преобразованиях, описанных ниже.
В течение года наблюдаются значительные изменения содержания неорганического азота в почве (график 1). Весной, с апреля по май, потепление почвы увеличивает активность микроорганизмов, а содержание минерального азота достигает максимальных значений (т. е. весенний максимум). В процессе вегетации потребление азота растениями и постепенное снижение интенсивности минерализации снижает содержание минерального азота в почве до относительно стабильного значения непосредственно перед и после сбора урожая (летний минимум). При благоприятных условиях влажности и температуры минимальное содержание N в почве осенью начинает увеличиваться за счет минерализации послеуборочных остатков (осенний максимум), а затем снова падает до зимы, потому что активность микроорганизмов уменьшается из-за падения температур. Эта великая сезонная изменчивость минерального азота в почве должна соблюдаться и использоваться в практическом питании растений при определении доз азота для конкретных культур перед посадкой, а также при внесении удобрений во время вегетации.
Факторы, влияющие на минерализацию
Температура: оптимальная температура для минерализации составляет около 30 °C; когда температура падает на 10 °С, ее интенсивность уменьшается на 50%. Минерализация очень низкая при низких температурах, и она почти останавливается около 0 °C
Влага: изменение влаги влияет на минерализацию меньше, чем температура. Минерализация более интенсивна, когда чередуются засуха и влажные периоды. Во время минерализации NH3 высвобождается из органических азотистых веществ, где он получает протон в водной среде и превращается в NH4 +. В сухом окружении существует более высокий риск потери при улетучивании N (см. Ниже).
Аэрация: Процесс минерализации происходит в аэробных и анаэробных условиях у ряда физиологически очень разных микроорганизмов и беспозвоночных.
pH: Влияние реакции почвы в диапазоне рН 5-8 очень мало.
В подходящих условиях для минерализации у растений имеется достаточное количество минерального азота, зачастую больше, чем с азотными удобрениями. В общем, также необходимо увеличить дозы азотных удобрений и использовать удобрения LAV в сухую погоду (а также в холодную погоду), а во влажные и теплые периоды можно уменьшить дозы азота, за исключением очень легких почв.
Аммиак, выделяемый минерализацией (аммонификация), поступает в различные процессы, главным образом в качестве основного источника нитрификации. Нитрификация является ключевым процессом во многих почвах и экосистемах, поскольку она превращает относительно неподвижную аммониевую форму в высокомобильную нитратную форму азота. Это делает азот питательным веществом, доступным для растений, но также существует риск его потери при выщелачивании и денитрификации.
Факторы, влияющие на нитрификацию
Температура: оптимальная температура для нитрификации в почвах составляет от 25 до 30 °C; при температурах ниже 15 °С нитрификация ограничена, а при температурах ниже 5 °С нитрификация происходит лишь в минимальной степени.
Влажность: Оптимальная влажность почвы для нитрификации составляет 70% минимальной емкости аэрации. Нитрификация прекращается в сухих условиях.
pH: Нитрификация оптимально происходит при рН 6,5-8,5; при рН ниже 6,5 интенсивность нитрификации уменьшается, и она останавливается ниже 5.
На скорость нитрификации влияет также тип применяемого удобрения. Азот, подаваемый в форме аммония в сульфат аммония, медленно нитрифицируется, но мочевинный азот нитрифицируется очень быстро. После относительно короткого периода (5-7 дней) его процесс нитрификации аналогичен процессу превращения азота, подаваемого в аммиачно-нитратные (селитровые) удобрения (диаграмма 2). Некоторые типы удобрений на основе мочевины используют ингибиторы нитрификации, но важно подчеркнуть, что на их воздействие также в значительной степени влияют погодные условия.
В теплую и сухую погоду эти ингибиторы могут парадоксально снижать доступность N в мочевине, особенно когда она применяется к поверхностным слоям пахотных земель, что приводит к потерям аммиака путем улетучивания.
В отличие от нитрификации, денитрификация является процессом восстановления, при котором нитраты восстанавливаются до оксидов азота и элементарного азота в присутствии легко разлагающихся органических веществ. В наших условиях преобладает денитрификация, вызванная факультативно анаэробными микроорганизмами, которые используют кислород из нитратов во время разложения.
Факторы, влияющие на денитрификацию
Температура: оптимальная температура денитрификации в почвах составляет от 25 до 30 °C; при температурах ниже 10 °С денитрификация происходит только в ограниченной степени.
Влажность: Наивысшие значения денитрификации достигаются при насыщении почвы с минимальной емкостью аэрации от 60 до 100%.
Аэрация: денитрификация происходит при недостаточной аэрации почвы (в анаэробных условиях).
pH: денитрификация происходит при рН 6-8; при рН ниже 5,5, интенсивность денитрификации уменьшается.
Наиболее важно, чтобы в почвах не было высокого содержания нитратов, особенно к концу вегетационного периода и после вегетационного периода, когда существует повышенный риск высокого содержания воды в почве и, следовательно, ограниченное содержание кислорода. Свободные нитраты в почве могут использоваться озимыми осенью, но если после этих культур следуют яровые культуры, целесообразно использовать зеленое удобрение, чтобы уменьшить потерю нитратного азота. Это также относится к сокращению выщелачивания N за пределами вегетационного периода. Тем не менее, нитратный азот не используется микроорганизмами во время запахивания соломы в почву, потому что его потребление является энергоемким, поэтому вместо этого они используют аммонийный азот. Потери денитрификации выше, особенно при внесении нитратного азота осенью. Интенсивность денитрификации возрастает по мере увеличения концентрации NO3 в почве; поэтому почва может потерять до 40% азота из применяемых нитратных удобрений путем денитрификации.
Факторы, влияющие на процесс
Температура: повышение температуры вызывает большее высвобождение аммиака.
Влажность: Когда содержание воды в почве уменьшается (особенно на поверхности), аммиак высвобождается в большем количестве.
Аэрация: большее высвобождение аммиака происходит в анаэробных условиях.
pH: Высвобождение аммиака преимущественно зависит от значения рН; чаще всего это встречается в щелочных почвах.
Высвобождение происходит после внесения удобрений, содержащих большое количество N-аммония (например, жидкого навоза, шлама, осадка сточных вод и навоза) на поверхности почвы (таблица). Способ и скорость применения удобрения являются решающими в этом случае, особенно в первые часы после внесения, как указано на графике 4. Азот высвобождается аналогичным образом при поверхностном применении минеральных азотных удобрений, содержащих аммиак или в которых образуется аммиак (например, мочевины).
·Основная доля азота находится в органических соединениях азота (микробная биомасса, метаболиты организмов, обитающих в почве, растительные и животные остатки, стабильные органические соединения и т. д.), в которых азот в основном недоступен для растений.
·Из общего количества N только 1-2% доступно для растений в NH4 + и NO3-форме, вместе именуемых минеральным азотом (Nmin).
Урожайность зависит и от условий места возделывания (запасов минерального азота в почве Nmin, потенциала восполнения запасов азота, обеспеченности влагой). Эти величины нельзя точно измерить, поэтому их оценка базируется на множестве неизвестных. Уже установлено, что в условиях засухи азотные удобрения, внесенные в начале вегетации зерновых культур, в большинстве случаев имеют преимущество над их последующим дробным применением.
Источники азота для растений
Дозы азотных удобрениях рассчитывают, исходя из возможного выноса азота планируемым урожаем культуры за вычетом содержащихся в почве запасов азота в доступных для растений формах (Nmin — сумма нитратного и аммонийного азота), предшественника и доз органических удобрений.
Основные источники азота в начале вегетации весной — это запасы Nmin в почве после зимы и восполнение этих запасов в период вегетации после минерализации органических остатков. Эти источники играют важную роль в обеспечении растений азотом, но сильно колеблются по годам, поэтому и потребность в азотных удобрениях на одном и том же участке в разные годы может меняться.
На запасы Nmin в почве весной влияют погодные условия, тип почвы и технология возделывания, от которых количество в почве доступного растениям азота может изменяться от 10 до 200 кг/га. В основном запасы минерального азота возрастают по мере окультуривания почвы. В сравнении с зерновыми, такие предшественники, как рапс, овощные и бобовые культуры оставляют после себя много растительных остатков. Постоянное внесение органических удобрений также повышает запасы в почве Nmin, которые растения используют в период вегетации.
Обильные осадки и их просачивание в осенне-зимний период вглубь почвы вымывают доступные запасы азота, поэтому судить о запасах доступного растениям азота в почве можно лишь на основе анализа почвы на содержание Nmin.
Скорость минерализации органических остатков в течение вегетации (биологическая активность почвы) и высвобождения доступного азота зависит от способа обработки почвы, ее структуры, температуры, влажности, рН почвы, аэрации, окультуренности.
Накопление азота в почве во многом определяется составом культур севооборота. Включение в севооборот многолетних трав, сидератов, бобовых культур, способствует накоплению в почве органических остатков, что позволяет снижать потребность в азотных удобрениях.
Особенности усвоения азота культурами
Разные культуры усваивают азот из почвы в различных количествах. Озимые культуры, стартующие в развитии ранней весной (рапс, пшеница, тритикале и рожь), даже при низкой температуре почвы, реагируют на минеральные удобрения значительным приростом урожая. Ввиду особенностей их биологического развития температура почвы для обеспечения их азотом играет незначительную роль.
Потребление азота культурами тесно связано не только с их биологическими особенностями, но и с уровнем возможной урожайности. Озимая пшеница активно поглощает азот после фазы колошения и при высокой урожайности. При формировании низкой и средней урожайности растения пшеницы усваивают азот из почвы значительно меньше, а к цветению этот процесс вообще прекращается. В данном случае азот, накопленный в растении, перенаправляется в формирующееся зерно.
В сравнении с озимой пшеницей, кривая потребления азота озимой рожью, озимой тритикале и озимым ячменем идет более плавно, поскольку эти зерновые культуры весной развиты сильнее, усвоив больше азота. Поэтому они образуют зерно с низким содержанием протеина.
Поглощение азота озимым рапсом также имеет свои особенности. После сева и до ухода в зимовку его растения потребляют азота 50-80 кг/га. Это говорит о том, что рапс, как озимая культура, до наступления холодов образует мощную корневую систему и может использовать азот, находящийся на глубине до 90 см. При достаточном количестве азота в почве и благоприятных условиях роста рапс может извлечь из почвы 200 кг/га азота, хотя такое количество не является необходимым для формирования высокой урожайности.
Для рапса также характерна ярко выраженная потребность в азоте с начала возобновления вегетации весной и вплоть до цветения. При урожайности семян более 40 ц/га к периоду цветения биомассой рапса потребляется около 300 кг/га азота. В дальнейшем усвоение азота культурой заметно снижается. С урожаем семян рапса выносится только 140 кг/га азота. После уборки значительное количество азота остаётся в почве с пожнивными остатками и соломой. Результаты исследований показывают, что по сравнению с другими культурами рапс имеет наибольшую разницу между потреблением азота и выносом его с урожаем.
Культуры с длительным периодом вегетации (кукуруза и сахарная свекла) в жаркие летние месяцы потребность в азоте во многом компенсируют из запасов почвы. В этом случае прирост урожая можно получить за счет органических удобрений. При регулярном внесении органических удобрений можно рассчитывать на постепенное высвобождение из них азота в течение всего периода вегетации.
Сложность определения потребности в азотных удобрениях
В годы с высоким содержанием в почве доступных форм минерального азота Nmin и значительным усвоением его растениями даже при внесении небольших доз азотного удобрения можно получить оптимальную урожайность.
Установлено, что между урожайностью и дозой азотного удобрения часто нет прямой взаимосвязи. Поэтому на практике при определении дозы азотного удобрения нельзя исходить только из планируемой урожайности. По этой же причине невозможно дать общие рекомендации по внесению азотных удобрений. Каждую ситуацию следует рассматривать отдельно не только на конкретном поле, но и в разрезе элементарных неоднородных участков поля. В таких условиях определяющими остаются опыт и знания самого агронома.
Для расчета потребности культуры в азотных удобрениях чаще используют балансовый метод:
Планируемая урожайность × содержание N в культуре (вынос с урожаем) = общая потребность в азоте – запасы в почве Nmin к началу вегетации – минерализация органического вещества за вегетацию (в зависимости от содержания в почве гумуса, предшественника, органических удобрений) ± корректировка в зависимости от условий произрастания, состояния посевов и начала вегетации. В итоге получаем потребность культуры в азотном удобрении.
Для корректировки дозы азота при некорневых подкормках зерновых культур в зависимости от условий вегетации применяется экспресс-анализ растений в фазу трубкования — колошения, который наиболее точно показывает обеспеченность посевов азотом.
Современная сенсорная техника (технологии точного земледелия) позволяет определять изменения качественного состава почвы на неоднородных участках и уровень поступления в растения азота, благодаря чему также повышается эффективность использования удобрений.
Предпосылки эффективного усвоения азота:
1.Оптимальный уровень кислотности почвы (рН 5,5-6,0).
2.Достаточная обеспеченность почвы подвижными формами фосфора и калия (200-300 мг/кг), серой, магнием, микроэлементами. Использование комбинированных азотно-серных удобрений (при высокой потребности культур в сере), азотно-фосфорных удобрений или NPK для ускорения развития культур в сложных условиях осени или весной.
3.Равномерное распределение и заделка в почву пожнивных остатков, органических и минеральных удобрений, благодаря чему урожайность зерна может увеличиваться на 2-5 ц/га.
4.Качественная подготовка почвы и оптимальные сроки сева.
5.Здоровое состояние растений (своевременное применение средств защиты растений).
6.В засушливых регионах важно использовать влагосберегающие технологии, подбирать устойчивые к стрессу от засухи культуры, а азотные удобрения вносить преимущественно в начале вегетации.
Дефицит питательного элемента может проявиться при недостаточном развитии корневой системы в период похолодания или засухи. В этом случае целесообразны некорневые подкормки. При запланированной урожайности зерновых культур свыше 40 ц/га рекомендуется профилактическое внесение микроудобрений при инкрустации семян перед севом и в некорневые подкормки посевов в критические периоды развития.
Продовольственной пшенице необходимо больше азотных удобрений для достижения качественных параметров, чем фуражной. Подкормка посевов азотом до стадии ДК39 (флаг-лист) работает на урожай зерна. Последующие подкормки от стадии ДК49 (начало колошения) улучшают качество зерна, повышают содержание сырого протеина. Прежде, чем проводить позднюю подкормку азотом с целью повышения качества зерна, нужно рассчитать компенсацию этих затрат возможной доплатой за качество зерна.
На легких песчаных и супесчаных почвах не рекомендуются поздние азотные подкормки пшеницы. В благоприятные по влагообеспеченности годы с высокой запланированной урожайностью целесообразны подкормки озимых зерновых азотом в фазу колошения. В регионах с повторяющимися засухами целесообразно объединять 2-ю и 3-ю подкормки азотом в одну в фазу трубкования с применением медленнодействующих азотных удобрений.
Анализируем баланс азота
После уборки урожая агроном сопоставляет затраты на возделывание культуры и полученный от ее реализации доход. В отношении азотных удобрений это означает рассчитать баланс азота, который поможет определить эффективность доз азотных удобрений для конкретной культуры. Баланс азота выражается в сальдо (разница между приходом и расходом).
На основании результатов многочисленных опытов и производственных данных немецкие специалисты пришли к следующим выводам:
1.На плодородных суглинистых почвах при оптимальной урожайности зерна озимой пшеницы 80-90 ц/га эффективность азотных удобрений высокая и обеспечивает небольшое положительное сальдо азота.
2.На легких супесчаных почвах получение оптимальной урожайности (45-55 ц/га) связано с существенным ростом сальдо в балансе азота. Причиной тому являются высокие потери азота при вымывании и низкий потенциал его дополнительного поступления.
3.Условия, которые ведут к повышению урожайности (почвенные условия и оптимальная технология возделывания), снижают сальдо в балансе азота.
4.Сохранение посевов пшеницы здоровыми до созревания с помощью применения пестицидов улучшает усвоение азота и снижает его непродуктивные потери.