Значення азоту для рослин, зміст і перетворення його в грунті

Азоту належить провідна роль в підвищенні врожаю сільськогосподарських культур. Д. Н. Прянишников підкреслював, що головною умовою, що визначає середню висоту урожаю, був ступінь забезпеченості сільськогосподарських рослині азотом.

Величезне значення азотних добрив в збільшенні врожайності сільськогосподарських культур обумовлюється виключно важливою роллю азоту в житті рослин. Азот входить до складу білків, які є головною складовою частиною цитоплазми і ядра клітин, до складу нуклеїнових кислот, хлорофілу, ферментів, фосфатидів, більшості вітамінів та інших органічних азотистих сполук, які відіграють важливу роль в процесах обміну речовин в рослині. Основним джерелом азоту для рослин є солі азотної кислоти (нітрати) і солі амонію. У природних умовах живлення рослин азотом відбувається шляхом споживання ними аніона NO3- і катіона NH4 +, що знаходяться в грунтовому розчині і в обмінно-поглиненому ґрунтовими колоїдами стані. Надійшли в рослини мінеральні форми азоту проходять складний цикл перетворення, в кінцевому підсумку включаючись до складу органічних азотистих сполук - амінокислот, амідів і, нарешті, білка. Синтез органічних азотистих сполук відбувається через аміак, освітою його завершується і їх розпад. Аміак, за висловом Д. М. Прянишникова, «... є альфа і омега в обміні азотистих речовин у рослин».

Нітратний азот не може безпосередньо використовуватися рослинами для синтезу амінокислот. Нітрати в рослинах піддаються спочатку ступінчастому - через нітрит, гіпонітріт і гідроксиламін - ферментативному відновленню до аміаку:

Відновлення нітратів відбувається за участю ферментів, що містять мікроелементи - молібден, мідь, залізо і марганець, - і вимагає витрат енергії, що акумулюється в рослинах при фотосинтезі і окисленні вуглеводів. Відновлення нітратів в рослинах здійснюється у міру використання виробленого аміаку на синтез органічних азотистих сполук. Нітрати нешкідливі для рослин і можуть накопичуватися в їх тканинах в значних кількостях. Однак вміст нітратів у сільськогосподарській продукції (кормах і овочах) вище певної межі може надавати токсичну дію на організм тварин і людини. Основний шлях утворення амінокислот, що знаходяться в рослинах частково у вільному стані і головним чином у складі білка, - амінірованіе органічних кетокислот - продуктів неповного окислення вуглеводів.

Аміачний азот, що надійшов в рослину і утворився при відновленні нітратів, в першу чергу приєднується до кетокислот (щавлево-оцтової, кето-глутаровой або фумарової), утворюючи аспарагиновую і глутамінової амінокислоти. Широкий набір амінокислот, що входять до складу білка, синтезується переамінуванням аспарагінової і глутамінової кислот і їх амідів - аспарагина і глутаміну, а також в результаті ряду інших специфічних реакцій. В процесі переамінування під впливом відповідних ферментів аміногрупи вказаних з'єднань переносяться на інші органічні кетокислот.

Важливу роль в метаболізмі азоту і вуглеводному обміні рослин грають реакції дезамінування амінокислот, т. Е. Відщеплення аміногрупи від амінокислот з утворенням аміаку і відповідної кетокислот. Аміак знову використовується для амінування кетокислот, а вивільнена кетокислоту включається в цикл перетворення вуглеводів. Особливе значення в азотному обміні рослин належить амідів - аспарагін і глутаміну, що утворюється при приєднанні ще однієї молекули аміаку до аспарагінової і глутамінової кислот. Класичними дослідженнями Д. М. Прянишникова встановлено, що в результаті утворення амідів відбувається знешкодження аміаку, який може накопичуватися в рослинах при дезаминировании амінокислот або рясному аміачному харчуванні при нестачі вуглеводів.

При нестачі вуглеводів і, отже, органічних кетокислот (особливо при проростанні насіння, що мають малий запас вуглеводів, наприклад цукрового буряка) надлишкове надходження аміачного азоту в рослини може надати негативну дію. В цьому випадку аміачний азот не встигає використовуватися на синтез амінокислот і накопичується в тканинах, викликаючи «аміачне отруєння» рослин. Ті рослини, в посівному матеріалі яких міститься багато вуглеводів (наприклад, крохмалю у картоплі), швидко засвоюють надходить аміачний азот і добре відгукуються на внесення аміачних добрив.

Біосинтез білка, що складається з амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками, відбувається за участю нуклеїнових кислот, які є матрицею, на якій фіксуються і з'єднуються амінокислоти з утворенням різноманітних білкових молекул[26].

У процесі росту і розвитку в рослинах постійно синтезується величезна кількість різноманітних білків. Вони розрізняються за молекулярною масою, складом амінокислот і їх послідовності в поліпептидних ланцюгах, за функціональними властивостями. Білки, синтезовані на різних фазах розвитку рослин, як і білки окремих органів і клітин, мають якісні відмінності. Для біосинтезу білків, як і інших складних органічних сполук, потрібно витрата великої кількості енергії. Основні джерела її в рослинах - фотосинтез і дихання (окисне фосфорилювання), тому існує тісний зв'язок між синтезом білка і інтенсивністю дихання і фотосинтезу.

Поряд з синтезом в рослинах відбувається розпад білків на амінокислоти з відщепленням аміаку під дією протеолітичних ферментів. У молодих зростаючих органах і рослинах синтез білків перевищує розпад, у міру старіння процеси розщеплення активізуються і починають переважати над синтезом. У різні фази зростання і розвитку рослин хід процесів обміну азотистих речовин неоднаковий. При проростанні насіння відбувається розщеплення запасних білків ендосперму або сім'ядоль, і продукти гідролізу використовуються для побудови білків. Після формування фотосинтезуючого листового апарату і кореневої системи живлення рослин і синтез білка здійснюються за рахунок мінерального азоту, що поглинається з грунту. Найбільш інтенсивно поглинання і засвоєння рослинами азоту з навколишнього середовища відбуваються в період максимального зростання і освіти вегетативних органів - стебел і листя. З старіючих частин рослин, в яких переважають процеси розпаду білка, продукти його гідролізу пересуваються в молоді інтенсивно ростуть органи. При формуванні насіння білкові речовини вегетативних частин рослини піддаються гідролізу і утворюються продукти оттекают в репродуктивні органи, де знову використовуються на синтез білка. У цей час споживання рослинами азоту з ґрунту обмежується або практично закінчується.

Роботами Д. М. Прянишникова і його учнів доведено, що амонійний і нітратний азот за певних умов - рівноцінні джерела живлення для рослин.

Переважне використання рослинами амонійного або нітратного азоту залежить від ряду факторів, найважливішими з яких є: біологічні особливості культури, забезпеченість її вуглеводами, реакція середовища, наявність кальцію, калію та інших елементів живлення, в тому числі мікроелементів. При нейтральній реакції амонійний азот засвоюється рослинами краще, а при кислому - гірше, ніж нітратний. Підвищений вміст кальцію, магнію і калію створює більш сприятливі умови для засвоєння амонійного азоту, а при нітратної харчуванні важливе значення має достатня забезпеченість фосфором і молібденом. Недолік молібдену гальмує відновлення нітратів і обмежує асиміляцію нітратного азоту рослинами. У природних умовах порівняльна цінність для рослин нітратних і аміачних (амонійних) форм азотних добрив в значній мірі визначається їх поведінкою, перетвореннями в грунті і властивостями останньої.

Умови азотного харчування дуже впливають на ріст і розвиток рослин. При достатньому постачанні рослин азотом в них посилюється синтез органічних азотистих речовин. Рослини утворюють потужні листя і стебла з інтенсивно-зеленим забарвленням, добре ростуть і кущаться; поліпшується формування і розвиток органів плодоношення. В результаті різко підвищуються урожай і вміст білка в ньому. Однак при односторонньому надлишку азоту затримується дозрівання рослин, вони утворюють велику вегетативну масу, але мало зерна або бульб і коренеплодів; у зернових і льону надлишок азоту може викликати вилягання.

При нестачі азоту ріст рослин різко сповільнюється, листя бувають дрібні, блідо-зеленого забарвлення, що пов'язано з порушенням синтезу хлорофілу, передчасно жовтіють, стебла стають тонкими і слабо гілкуються. Погіршуються також формування і розвиток репродуктивних органів і налив зерна, сильно знижуються урожай і вміст білка в ньому.

Зміст азоту в рослинах.. Основна кількість азоту (до 90% загального вмісту) знаходиться в насінні в складі білка. Рослинні білки містять азоту від 14 до 18%, т. Е. В середньому близько 16%.

Найбільш багаті азотом насіння бобових і олійних культур, менше його в зерні злаків. У вегетативних органах рослин азоту значно менше, ніж в насінні. Так, в зерні пшениці вміст азоту становить від 2,3 до 3,5% сухої речовини, а в соломі - від 0,4 до 0,7%. З вегетативних органів азотом багатше листя, особливо молоді, менше його в стеблах і коренях. У листках і стеблах рослин, а також в коренеплодах і бульбах частка небілкового азоту може бути значною. Наприклад, в листових овочах, коренях цукрових, кормових буряків і моркви, бульбах картоплі небілкові сполуки азоту в момент досягнення товарної стиглості складають половину загальної кількості цього елементу. Рослини для формування гарного врожаю виносять з грунту вначітельное кількість азоту: зернові близько 100-150 кг, кукурудза, картопля, цукровий буряк - до 150-250 кг з 1 га.

Зміст азоту в грунтах залежить від кількості в них гумусу. У чорноземах загальний вміст азоту досягає 0,4-0,5%, а в дерново-підзолистих грунтах і сероземах - тільки 0,05-0,15%. Загальний запас азоту в орному шарі різних ґрунтів коливається від 1500 до 15`000 кг на 1 га.

Основна маса ґрунтового азоту (до 99%) знаходиться у вигляді органічних сполук (білкових і гумусових речовин), недоступних для живлення рослин. Швидкість мінералізації органічних сполук азоту ґрунтовими мікроорганізмами до аміаку і нітратів залежить від умов аерації, вологості, температури і реакції грунту. Тому кількість мінеральних сполук азоту в грунтах сильно коливається - від слідів до 2-3% загального вмісту азоту.

Розкладання азотистих органічних речовин в грунті в загальному вигляді може бути представлено наступною схемою: гумінові речовини, білки ⇒ амінокислоти, аміди ⇒ аміак ⇒ нітрити ⇒ нітрати ⇒ молекулярний азот.

Розпад органічних азотовмісних речовин грунту до аміаку називається Амоніфікація. Цей процес здійснюється численними аеробних і анаеробних грунтовими мікроорганізмами і відбувається у всіх грунтах при різній реакції середовища, але сповільнюється в анаеробних умовах і при сильнокислой і лужної реакції.

Амонійний азот в грунті піддається нітрифікації - окислювання до нітритів, а потім нітратів. Цей процес здійснюється групою специфічних аеробних бактерій, для яких окислення аміаку є джерелом енергії. Оптимальні умови для нітрифікації - хороша аерація, вологість грунту 60-70% капілярної вологоємності, температура 25-32 ° С і близька до нейтральної реакція. Інтенсивна нітрифікація - одна з ознак культурного стану грунту. На кислих підзолистих грунтах в умовах поганої аерації, надмірної вологості та низької температури процеси мінералізації протікають слабо і зупиняються на стадії освіти амонію. Нітрифікація через несприятливі умов для діяльності нитрифицирующих бактерій буває пригнічена і відбувається повільно.

На окультурених, добре оброблених грунтах процеси аммонификации і нітрифікації йдуть інтенсивніше, більше утворюється мінеральних сполук азоту, особливо нітратів. Вапнування кислих ґрунтів, систематичне внесення органічних і мінеральних добрив, посилюючи мікробіологічну діяльність в грунті, різко підвищують інтенсивність мінералізації органічної речовини і освіти засвоюваних сполук азоту[27].

Кругообіг азоту в землеробстві: Мінеральні сполуки азоту не накопичуються в грунті в великих кількостях, так як споживаються рослинами, а також використовуються мікроорганізмами і частково знову перетворюються в органічну форму.

Азотні добрива посилюють мінералізацію грунтового органічної речовини і значно збільшують засвоєння рослинами азоту з ґрунту. До недавнього часу вважалося, що рослини використовують 70-80% азоту добрив. Коефіцієнт використання рослинами азоту добрив визначався різницевим методом - за різницею в виносі азоту з урожаєм при внесенні азоту і без внесення, виражений в% внесеного кількості N добрива. При цьому допускалося, що рослини в тому і в іншому випадку засвоюють однакову кількість азоту з грунту. Застосування в агрохімічних дослідженнях методу мічених атомів (в дослідах використовували сполуки азоту, мічені стабільним ізотопом азоту 15N) дозволило встановити, що в польових умовах рослини засвоюють безпосередньо з добрив лише 30-50% азоту. Однак при внесенні азотних добрив посилюється мінералізація ґрунтового азоту і засвоєння його рослинами. Коефіцієнти використання азоту різних форм азотних добрив істотно не розрізняються, за винятком екстремальних умов їх застосування. Показано також, що 10-20% азоту нітратних і 30-40% аміачних, амонійних добрив і сечовини закріплюється в грунті в органічній формі. Перетворення азоту в органічну форму різко зростає при запашке в грунт органічної речовини з низьким вмістом азоту (пожнивні рослинні залишки, солома злакових і соломістий гній). Закріпився азот повільно минерализуется і слабо засвоюється рослинами, тому післядія азотних добрив незначно.

Отже, одночасно з мінералізацією органічної речовини в грунті відбувається закріплення мінеральних сполук азоту знову в органічну форму. Але при цьому азот не губиться, а лише тимчасово переходить в недоступні рослинам сполуки. Співвідношення процесів мінералізації і новоутворення органічних азотовмісних речовин має важливе значення в азотному режимі грунтів. Для закріплення нітратного азоту в ґрунті особливого значення, як уже зазначалося, має біологічне поглинання. Нітрати легко пересуваються в грунті і можуть вимиватися з кореневого шару опадами і дренажними водами. Вимивання нітратів з важких грунтів під рослинами зазвичай незначно (в середньому 3-5 кг з 1 га). Однак на легких, особливо парующіх, грунтах в зволожених районах, а також в умовах зрошуваного землеробства такі втрати можуть досягати значних величин (до 30-50 кг на 1 га і більше).

Втрати азоту грунту і добрив в основному відбуваються внаслідок денітрифікації - процесу відновлення нітратного азоту до вільного молекулярного азоту (N₂) або до газоподібних окису і закису азоту (NO і N₂O). Біологічна денітрифікація здійснюється групою денитрифицирующих бактерій і особливо інтенсивно йде в анаеробних умовах і лужної реакції грунту при наявності багатого клітковиною органічної речовини. Біологічна денітрифікація протікає і в звичайних умовах реакції середовища, аерації та зволоження, оскільки в грунтах неминучі анаеробні мікрозонах, а діапазон сприятливої ​​реакції для розвитку денітрифікатори досить широкий. Непряма, або «хемоденітріфікація» пов'язана з утворенням газоподібних оксидів азоту і молекулярного азоту при хімічній взаємодії проміжних продуктів нітрифікації (нітритів і гидроксиламина) з NH₄ ⁺, амінокислотами і з органічною речовиною грунту, а також в результаті розкладання азотистої кислоти (особливо при кислій реакції) до NO. Втрати азоту при денітрифікації нітратів, що утворюються при нітрифікації аміачного азоту грунту і внесених аміачних азотних добрив і сечовини, а також з нітратних азотних добрив, вельми істотні. Дослідження із застосуванням 15N показали, що втрати азоту аміачних добрив складають близько 20%, а нітратних - до 30% і більше внесеного кількості. Втрати азоту добрив різко зростають в парующей грунті і досягають 40-50%,

Отже, в кругообігу азоту в землеробстві процеси нітрифікації поряд з позитивною грають і негативну роль, тому що утворюються нітрати можуть вимиватися і втрачатися з грунту у вигляді газоподібних продуктів при денітрифікації. Один із шляхів зниження втрат азоту грунту і добрива внаслідок денітрифікації та вимивання нітратів - застосування інгібіторів нітрифікації. Ці препарати гальмують нітрифікацію і зберігають мінеральний азот грунту і добрив в амонійній формі. Особливо ефективне використання інгібіторів нітрифікації в районах зрошуваного землеробства під бавовник і на рисових плантаціях, а також на легких ґрунтах у зоні достатнього зволоження.

При поверхневому внесенні твердих амонійних добрив і сечовини можуть відбуватися втрати азоту в формі аміаку, особливо на карбонатних і лужних грунтах. Однак закладення добрив в грунт практично усуває такі втрати. Втрати азоту значно зменшуються при правильному застосуванні органічних і мінеральних добрив у поєднанні з раціональною системою обробітку грунту і зрошення.

 

Азот, засвоєний рослинами, лише частково знову повертається в грунт з гноєм, та ж частина азоту, яка міститься в товарній продукції (зерно, волокно льону, бульби картоплі і т. Д.), Відчужується з господарства.

Щоб отримувати високі, стійкі врожаї сільськогосподарських культур, необхідно постійно дбати про поповнення запасів азоту в грунті. Єдиним природним джерелом поповнення запасів азоту в грунті є азот атмосфери.

В атмосфері над кожним гектаром грунту знаходиться близько 80 тис. Т азоту, але молекулярний азот повітря недоступний для більшості рослин (крім бобових) в природних умовах. Зв'язування молекулярного азоту повітря і поповнення запасів азоту в грунті відбувається двома шляхами. Невелика кількість пов'язаного азоту (до 3-5 кг на 1 га) утворюється в атмосфері під дією грозових розрядів і у вигляді азотистої і азотної кислоти надходить в грунт з опадами. Більше значення для живлення рослин має фіксація азоту повітря азотфиксирующими мікроорганізмами, що вільно живуть в грунті (азотобактер, клостридиум і ін.), І бульбочкових бактерій, що живуть в симбіозі з бобовими рослинами (біологічний синтез азоту). Свободноживущие азотфіксатори асимілюють до 5-10 кг азоту на 1 га. Розміри симбіотичного азотфиксации залежать від виду бобової рослини. Так, конюшина може накопичувати 150-160 кг азоту, люпин - 100-170, люцерна - 250-300, соя - 100, горох, вика і квасоля - 70-80 кг на 1 га. Приблизно 1/3, пов'язаного бобовими азоту залишається в пожнивних і кореневих залишках і після мінералізації може використовуватися культурами, такими в сівозміні після бобових.

В середньому на 1 т сіна (містить 25-30 кг азоту) в кореневих і післяукісних рештках міститься і надходить в грунт 10-15 кг азоту. Внесок біологічного азоту в азотний баланс визначається площею, займаної багаторічними бобовими травами і їх урожаєм, від якого залежить кількість азоту, що залишається в грунті в кореневих і післяукісних рештках. Якщо площа, зайнята бобовими травами, становить 10% загальної посівної площі, а урожай сіна дорівнює 4 т з 1 га, то щорічне надходження в грунт азоту на 1 га посівів бобових складе 40-60 кг, а в середньому на 1 га всієї посівної площі - 4-6 кг.

Отже, сумарне надходження азоту за рахунок зазначених вище джерел далеко не компенсує виносу азоту врожаями сільськогосподарських культур і втрат його з грунту в результаті вимивання і денітрифікації. Тому для отримання високих врожаїв всіх сільськогосподарських культур і підвищення якості врожаю величезне значення має внесення в ґрунт мінеральних азотних добрив, одержуваних шляхом штучного синтезу з азоту повітря на хімічних заводах[28].

На більшості грунтів і особливо в досить зволожених районах на дерново-підзолистих, сірих лісових і вилужених чорноземах, а також при зрошенні на сероземах і інших грунтах азотні добрива мають вирішальне значення в підвищенні врожаїв. Вони дають найбільші прибавки врожайності. За даними багатьох польових дослідів, азотні добрива дають в цих районах близько 60% загальної збільшення врожаю, одержуваної від повного мінерального добрива (NPK). Їх застосовують під всі культури, за винятком бобових, потреба яких в азоті забезпечується за рахунок фіксації азоту повітря бульбочкових бактерій.

Азотні добрива поділяються на чотири групи:

Нітратні добрива (селітри), що містять азот в нітратній формі, - NaNO₃, Ca (NO₃) ₂

Амонійні і аміачні добрива, що містять азот відповідно в амонійній або аміачної формі, - (NH₄) ₂SО₄, і рідкі азотні добрива (безводний аміак і аміачна вода).

Амонійно-нітратні добрива, що містять азот в амонійній і нітратної формі, - NH₄N0₃

Добриво, що містить азот в амідній формі, - CO (NH₂) ₂.

Виробництво різних азотних добрив базується головним чином на отриманні синтетичного аміаку з молекулярного азоту і водню. Азот одержують пропусканням повітря в генератор з палаючим коксом, а джерелом водню служать природний газ, нафтові і коксові гази. З суміші N₂ і Н₂ (у співвідношенні 1: 3) при високій температурі і тиску в присутності каталізаторів отримують аміак:

Синтетичний аміак використовують не тільки для виробництв амонійних солей, але і азотної кислоти, яка йде для отримання амонійно-нітратних і нітратних добрив[29].