Однако при биологическом связывании азота это происходит при нормальном атмосферном давлении и температуре.

Азотфиксация, или микробиологическая фиксация атмосферного азота — процесс поглощения микроорганизмами почвы азота атмосферы и трансформация его в органические и минеральные вещества [10, 11].

Изучением азотфиксации занимались Ж. Буссенго, М. Бейерник, Г. Гельригель, Г. Вильфорт, М.С. Воронин, С.Н. Виноградский, В.Л. Омелянский, Д.Н. Прянишников, Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев.

По некоторым оценкам, суммарный объем азотфиксации в год в наземных экосистемах составляет 175-190 млн т азота, 90-110 млн т из которых приходятся на почвы сельскохозяйственных угодий. При этом ежегодный вынос азота из почвы с сельскохозяйственной продукцией составляет 110 млн т. [12].

Поскольку молибден играет в процессе азотфиксации важную роль, входя с состав нитрогеназы, актуальным является исследование эффективности азотфиксации различными в зависимости от содержания в почве доступного молибдена.

В конце прошлого столетия высказывались разные предположения о механизмах связывания азота. Рассматривали два варианта — окислительный и восстановительный. Д.Н. Прянишников считал, что переход N₂ в NНз через оксиды азота невозможен, так как противоречит принципу допустимой экономии энергии организмов. С.Н. Виноградский в конце прошлого века высказал предположение о способе восстановительного связывания молекулярного азота до аммиака.

П.А. Костычев развил теорию С.Н. Виноградского о восстановительной фиксации молекулярного азота через аммиак. В настоящее время этот механизм считается общепризнанным. Основным ферментом, отвечающим за азотфиксацию является нитрогеназа.

Нитрогеназа состоит из двух белковых структур: одна — с молекулярной массой 164 000, содержит молибден и железо, вторая — с молекулярной массой 56 000, содержит только железо. По отдельности эти структуры не фиксируют молекулярный азот.

При благоприятных условиях симбиоза, то есть при рН 6-7, обеспеченности фосфором, калием, магнием, бором, молибденом, наличии специфичных вирулентных штаммов клубеньковых бактерий, оптимальной влажности почвы, горох посевной фиксирует до 150 кг/га, бобы кормовые и соя — до 250 кг/га, люпин белый — до 300 кг/га азота, при этом урожайность составляет 30-40 ц/га семян.

Однако в практике обеспечить оптимальные условия удается редко, активность симбиоза ослабляется и фиксируется только 20-60 кг/га азота воздуха при урожайности 12-15 ц/га. Иногда из-за избыточной кислотности почвы, недостатка влаги или питательных веществ фиксации азота не происходит, растения дают низкие урожаи с минимальным содержанием белка.

Многочисленными работами ряда авторов показано, что азот удобрений на различных почвах используется на 50-60% в вегетационных опытах и на 40-50% в полевых. Однако при определении коэффициентов использования питательных веществ чрезвычайно важное значение имеет изучение сбалансированного питания растений всеми необходимыми элементами, в том числе молибденом [13].

Однако если при недостатке макроэлементов (калия, азота, фосфора), как правило проводят оптимизацию состава почв, и здесь становится важным не допустить избыток химизации, то на обеспеченность почв некоторыми микроэлементами часто практически не обращают внимания.

При содержании подвижного молибдена в почве свыше 400 мг/% почвы, действие его на урожай не проявилось, по этому признаку молибден можно отнести к миллиэлементам третьего порядка [14].

По некоторым данным [13], в почвах Нечерноземной зоны на кислых почвах очень низкая обеспеченность молибденом. Несмотря на то, что рекомендованные дозы внесения микроэлементов невысоки, они требуют существенных затрат и поэтому микроэлементы практически часто не применяются. Во второй половине ХХ в. производство продовольствия выросло вдвое большей частью благодаря тому, что объемы вносимых в почву азотных удобрений увеличились в семь раз. Растения не усваивают до 50% азота из применяемых удобрений, а растительная продукция часто содержит повышенное количество нитратов. К сверхдозам удобрений примкнули такие же дозы пестицидов. Принятие стратегии поддержки симбиотической почвенной микробиоты переводит ряд элементов (повышая их доступность для растений) в биоэлементы, а почвенная микробиота – это экологический пестицид, что позволяет минимизировать тотальную химизацию растениеводства.

На микроорганизмы, стимулирующие восстановление микробиоценоза почвы, возможно получение патентов [15].

Особое внимание в экологическом аспекте использования почв занимает предотвращение эрозии почв вследствие вымывания биоэлементов структурирующих почву, в частности кремния (Si), кальция (Ca).

Концентрация оксида кремния (IV) в почвенных растворах в среднем составляет 30—40 мг/л, а в клеточном соке кремниефильных растений ещё значительно выше. Например, в хвоще в первые три дня весеннего роста содержится насыщенный раствор (0,015—0,024%) кремниевой кислоты [16, 17].

На один атом углерода приходится приходится 133 атома кремния, кремний занимает второе место в земной коре по распространению после кислорода, что, казалось бы, является фактом того, с этого недостаток этого биоэлемента для растений невозможен. Однако современное изучение роли кремния в физиологии культурных растений, в плодородии почвы и вопросах производства качественной и экологически безопасной растениеводческой продукции страны остается одним из актуальных и востребованных на практике.

В растительных и животных тканях Si находится в виде водорастворимых соединений типа ортокремниевой кислоты, ортокремниевых эфиров, а также в форме нерастворимых минеральных полимеров (поликремниевые кислоты и аморфный кремнезем) [17].

Именно форма, в виде каких соединений находится кремний в почвенном растворе, это определяет доступность элемента в питании растений. Показано, что почвенный раствор содержит кремний в основном в виде силикат-ионов мономеров и полимеров мета- и ортокремниевой кислот, а также в виде кремнийорганических соединений. При этом снижение содержания свободной воды в жидкой фазе почвы приводит к появлению кремниевых соединений в коллоидной форме в виде гидрогеля кремниевой кислоты [16].

Кремний в коллоидном состоянии придаёт прочность опорному скелету растения. Он присутствует в волокнах механических тканей всех растений и обеспечивает прочность стебля, устойчивость культур к полеганию, силу их цветения, а также энергию плодоношения.

Но в то же время практические наблюдения доказывают, что его присутствие вызывает интенсивный рост (формируется более мощная корневая система, увеличивается площадь листьев), улучшает развитие (увеличивается количество и качество скелетируемых побегов, ускоряется и усиливается цветение, возрастает количество семян, содержание сахаров и других полезных компонентов в плодах, а также продлевается срок их хранения), повышает сопротивляемость неблагоприятным факторам, способствует росту кремнефильных растений в природном биоценозе естественного ланшафта [18, 19]. Учитывая, что активные формы кремния являются как важным компонентом в формировании почвенного плодородия, так и имунной системы культурных растений, то такой все нарастающий дисбаланс приведет к деградации почвенного покрова и снижению устойчивости выращиваемых растений к биотическим и абиотическим стрессам.

Применение кремнийсодержащих растворимых соединений, являющихся экологически чистой альтернативой пестицидам, используется как способ восстановить и улучшить почвенное плодородие. Это перспективное направление в технологии выращивания экологически чистых продуктов, базирующееся на применении природных нетоксичных материалов, которые могли бы удовлетворить как фермера (производителя продуктов питания), так и потребителя [17, 18].

В своем труде «Химия в приложении к земледелию» Ю Либих указывал на четыре основах макроэлемента: азот, фосфор калий и кремний, но широкую практическую реализацию поддержания баланса получили только три элемента, часто в форме избыточной химизации. Однако В Китае, например, ещё более двух тысяч лет назад начали вносить в почву рисовую солому, в составе которой от 4 до 20% приходится на SiO₂ [19].

Особо следует отметить работы академика В.И. Вернадского (1938), утверждавшего, что без кремния невозможно существование живых организмов на нашей планете.

Исходя из того, что растения и почвенные микроорганизмы способны поглощать только мономеры кремниевой кислоты и ее анионы, в состав кремнийсодержащих удобрений они и должны включаться. Наиболее известными примерами относительно хорошо растворимых кремниевых удобрений, являются диатомиты, цеолиты, опоки, туфы, пепел, парамонова глина. В результате некоторых исследований было установлено, что различные кремниевые удобрения (аморфный диоксид кремния, кремнегель, силикаты кальция, калия, натрия) способны увеличивать содержание подвижных фосфатов в почвах, что требует бесспорного продолжения исследования для конкретных почв и культур [19].

К важным факторам для микробиологических процессов агроэкологических условий почвы относятся агротехнические приемы, применяемые при возделывании сельскохозяйственных культур [20]. С деятельностью почвенной микрофлоры связаны процессы синтеза и разложения гумуса, мобилизации в почве труднодоступных для растений питательных веществ, трансформации удобрений, вносимых в почву. Установлено, что внесение умеренных доз минеральных и органических удобрений активизирует данные процессы [21-24], а высокие дозы минеральных удобрений и пестициды снижают их активность. Важную роль для этих процессов играет реакция среды. Исследованиями установлено, что при известковании активизируется деятельность нитрификаторов, усиливаются процессы минерализации органических соединений, в результате чего улучшается азотное питание растений. Исследованиями ряда авторов установлено, что увеличение уровня техногенной нагрузки приводит к снижению их активности. Жизнедеятельность микроорганизмов неразрывно связана с окружающей их средой и экологическая обстановка, складывающаяся в той или иной почве, оказывает существенное влияние.

В почвах с высоким содержанием бактерий, обильно размножаются дождевые черви, поедая подгнивающие листья и создавая баланс гумуса. Особенность их питания такова, что им приходится пропускать через себя большое количество земли, чтобы получить необходимое количество находящихся в ней бактерий.

Ещё Чарльз Дарвин подсчитал, что при средней плотности 30 тыс. червей на гектаре за сезон пропускают через себя полторы тонны опавшей листвы и пятнадцать тонн земли. А так как на земле, хорошо удобренной органикой, может быть на гектаре до 2,5 миллионов червей, то результат их «земледельческой деятельности» выразится на этом гектаре переработкой почвы от 50 до 380 тонн ежегодно.

Процессу деградации почвы можно частично препятствовать, внося в неё известняковую муку, содержащей кальций. Кальций содержится также в костной, доломитовой фосфоритной муке, перегное, золе. Известкование даёт дополнительно косвенное влияние кальция на почву, который, изменяя структуру почв, улучшает их аэрацию, нейтрализует засолённые почвы [24]. Сильнозасоленные почвы обычно непригодны для выращивания сельскохозяйственных культур. У растений, произрастающих на засоленных почвах, задерживаются набухание семян, цветение, рост, снижается урожайность. При больших концентрациях солей наступает гибель растений. Наиболее вредное влияние оказывают карбонаты, хлориды и сульфаты натрия и калия.

Гипсование почв, внесение в почву гипса для устранения избыточной щёлочности, вредной для многих сельскохозяйственных растений; способ химической мелиорации солонцов и солонцеватых почв. Гипсование основано на замене натрия, поглощённого почвой, кальцием, в результате чего улучшаются её неблагоприятные физико-химические и биологические свойства, и повышается плодородие.

Предлагаются и другие способы поддержания баланса кальция в почве, с учётом того, что вымывание кальция идёт легко именно из пахотного слоя, в степях и лесах, где человек не обработал почвы глубокой вспашкой, природа и без известкования, чилийской селитры и суперфосфата производит такую обильную растительность, какая при глубокой вспашке не возможна [25].

К способам восстановления экосистемы кальция в почве относят: рыхление почвы вместо глубокой вспашки, агролесоводство, совмещённое возделывание культур, посадку защитных дамбов [26].

Перемещение пластов почвы ведёт к резкому изменению условий для аэробных и анаэробных почвенных бактерий, снижению их численности. При этом пространство вспаханного поля теряет кальций, как элемент почвообразования, который теперь легко вымывается, погибает большая часть почвенных бактерий, способных переводить труднодоступные биоэлементы в доступные для растений [27].

Агролесоводство – смешанная система производства между однолетними/многолетними культурами и деревьями [26] – одно из решений проблемы.

Другое решение состоит в совмещённом возделывании культур - выращивании двух и более видов культур на одном участке, высаживаемых отдельными рядками или полосками, при этом одна из культур обладает кумулятивными свойствами поддерживать биобаланс почвы, в том числе кальциевой составляющей, препятствуя вымыванию кальция. К охранным мероприятиям также относят: посадку защитных дамбов из трав на водных путях для сокращения стока воды и предотвращения вымывания почвы и эрозии [26].

Таким образом, определяющими факторами при выборе системы обработки почвы являются: баланс гумуса, создание наиболее оптимального водного, воздушного и питательного режимов, благоприятный состав. Кальций, как структурный компонент почвы опосредованно (через рН, структуры почвенных коллоидов, обеспечивающие влагонакопление) влияет на деятельность почвенной микрофлоры, которая, в свою очередь, если не испытывает химической перегрузки, увеличивает плодородие почвы.

   Перспективами реализации полученных результатов может быть использование кальций-сберегающих приёмов и способов обработки почвы с учетом характеристик конкретных возделываемых растений и других условий [28, 29].

Литература по ГЛАВЕ 15

1. Скаткова В.Ю. Значение минерального питания для растений // Экологический марафон XXI. - Самара, 2015. - С. 62-67.

2. Арефьева А.П., И.С. Полянская И.С. Методы исследований биоэлементов калий и натрий в растениеводстве // Перспективы развития науки в современном мире. - 2020. - C. 13-16.

3. Королёва И.Е. Выбор методов оценки изменения фосфатного и калийного состояния почв при антропогенном воздействии // Бюл. Почв. ин-та. 2010. - №65. –https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-metodov-otsenki-izmeneniya-fosfatnogo-i-kaliynogo-sostoyaniya-pochv-pri-antropogennom-vozdeystvii

4. Тюрникова Е.Г., Титова В.И., Ренжина Е.П., Шафронов О.Д. Влияние калийных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур и калийное состояние почв Нижегородской области // Агрохимический вестник. 2011. №2. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-kaliynyh-udobreniy-na-

5. Gallegos-Cedillo, V.M., Urrestarazu, M., Álvaro, J. E. Infl uence of salinity on transport of Nitrates and Potassium by means of the xylem sap content between roots and shoots in young tomato plants // J. Soil Sci. Plant Nutr., - 2016. — 16 (4). - Р. 991–998

6. Нарбаева Х. С., Бекмирзаева У. Ю., Джуманиязова Г. И. Поиск, выделение и скрининг калий растворяющих фосформобилизующих бактерий из засоленных почв // Молодой ученый. — 2018. — №40. — С. 101-104. —https://moluch.ru/archive/226/52940/

7. Биологические препараты. Сельское хозяйство. Экология: Практика применения / ООО «ЭМ-Кооперация» [сост. Т. А. Костенко, В. К. Костенко; под ред. П. А. Кожевина]. — М., 2008. — 296 с.

8. Данилова Т. А., Пасынкова Е. Н., Архипов М. В и др. Научное обеспечение мероприятий по повышению плодородия земель на Северо-Западе России // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2017. №4 (165). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/nauchnoe-obespechenie-meropriyatiy-

9. Арефьева А. П., Экологические методы регулирования калия в почве [Электронный ресурс]: Молодые исследователи агропромышленного и лесного комплексов – регионам. - Вологодская ГМХА, апрель 2020 г. URL: https://molochnoe.ru/nauka/scientific-publications/publications. (дата обращения: 06.05.2020).

10. Некрасова Д. А., Полянская И.С. Исследование биоэлемента молибден в биоценозе сельскохозяйственных культур [Электронный ресурс]: Молодые исследователи агропромышленного и лесного комплексов – регионам. - Вологодская ГМХА, апрель 2020 г. URL: https://molochnoe.ru/nauka/scientific-publications/publications. (дата обращения: 06.05.2020).

11. Азотфиксация Сельское хозяйство [Электронный ресурс] – URL: UniversityAgro.ru

12. Пономарев Ю., Прудникова А., Прудников А. Использование ультрадисперсных частиц металлов для повышения урожайности и качества корма клевера лугового // Международный сельскохозяйственный журнал. - 2016. -  № 6. - С. 60-62.

13. Агрохимикаты, статья из раздела: Питательные элементы. Молибден [Электронный ресурс] URL: http://www.pesticidy.ru/active_nutrient/molybdenum

14. Полянская И.С. Новая классификация биоэлементов в биоэлементологии // Молочнохозяйственный вестник. - 2014. -№ 1 (13). - С. 34-42.

15. Евразийское патентное ведомство. Заявка №2012000217. Штаммы бактерий bacillus subtilis, bacillus amyloliguefaciens и препарат-пробиотик на их основе для борьбы с зоо- и фитопатогенами. - 2012.10.08. URL: http://www.eapatis.com/Data/EATXT/eapo2014/PDF/201201499.pdf

16. Козлов А. В., Куликова А. Х., Яшин Е. А. Роль и значение кремния и кремнийсодержащих веществ в Агро экосистемах / Вестник Минского университета. - 2015. - №2 (10). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rol-i-znachenie-kremniya-i-kremniysoderzhaschih-veschestv-v-agroekosistemah

17. Колесников М.П. Формы кремния в растениях. - Успехи биологической химии, т. 41. - 2001 - C. 301—332.

18. Микроэлементы. Кремний  URL: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/mikroelementy-kremniy/

19. Бусыгин, В. О. Зависимость состава фитоценоза территории от содержания кремния в почвах на примере Белозерского заказника. - Молодой ученый. — 2018. — № 22 (208). — С. 90-95. — URL: https://moluch.ru/archive/208/51063/

19. Матыченков И.В. Взаимное влияние кремниевых, фосфорных и азотных удобрений в Системе почва-растение. – Диссертация на соиск. уч.ст. к. б. н. - М.: 2014. – С. 134.

20. Уварова Д.Г., Кальций–структурный элемент почвы // Молодые исследователи агропромышленного и лесного комплексов – регионам. - Вологодская ГМХА, апрель 2020 г. URL: https://molochnoe.ru/nauka/scientific-publications/publications. (дата обращения: 06.05.2020).

21. Уварова Д.Г., Полянская И.С. Кальций и магний в растениеводстве [Электронный ресурс]: Перспективы развития науки в современном мире. - 2020. - C. 38-41. URL: http://science-peace.ru/page-6.html (дата обращения: 19.01.2020).

22. Монтгомери Д.Р. Почва. Эрозия цивилизаций / пер. проф. Х. Муминджанова // Продовольственная и сельскохозяйственная организация объединенных наций. - Анкара, 2015. -410 с.

23. Тегесов Д.С. Ресурсосберегающие способы основной обработки почвы в Северном Прикаспии. - Диссертация ВАК РФ 06.01.01, кандидат сельскохозяйственных наук, Волгоград. -2017. - 136 с.

24. Овсинский И.Е. Новая система земледелия [Электронный ресурс] / Перепечатка публикации 1899 г. (Киев, тип. С.В. Кульженко). – Новосибирск: АГРО-СИБИРЬ, 2004. – 86 с. http://www.viktoriy.ru/ovsinskiy-2 (дата обращения: 19.01.2020).

25. Траннуа П. Энциклопедия урожайного огорода на разумной почве Траннуа П. Ф., 2017. ООО «Издательство «Э», 2017. 50 с.

26. Комплексная Национальная Оценка Лесных Ресурсов FAO, Rome (Italy). Forestry Dept. [Электронный ресурс] / - URL: https://books.goo (дата обращения: 19.01.2020).

gle.ru/books?id=Tytf4gTBk9sC&pg=PA214&lpg=PA214&dq=%D0%9 (дата обращения: 19.01.2020).

27. Слащенин Ю.И. Разумное земледелие [Электронный ресурс] / Ю.И. Слащенин. - URL: https://auto-grow.ru/assets/images/tickets/1783/6f5c336927a1620c0e536854fe0ceb41216ee05a.pdf (дата обращения: 19.01.2020).

28 Мерзликина М. [Электронный ресурс] / М. Мерзликина. - Режим доступа: Кальций в почве // Живой лес. URL: https://givoyles.ru/articles/sreda-proizrastaniya/kalcii-v-pochve/ (дата обращения: 19.01.2020).

29. Новосёлов С.И. Влияние агроэкологических условий на аммонифицирующую и нитрифицирующую способность почвы [Электронный ресурс] // Вестник Марийского государственного университета. Серия «Сельскохозяйственные науки. Экономические науки». 2015. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-agroekologicheskih-usloviy-na-ammonifitsiruyuschuyu-i-nitrifitsiruyuschuyu-sposobnost-pochvy (дата обращения: 19.01.2020).

Тесты, творческие вопросы и задания по ГЛАВЕ 15