Азот в почве (1968 год)

Азот в почве (1968 год)

Благодаря высокой потребности растений в азоте, условия их снабжения этим элементом всегда требуют внимания.

Мы видели выше, что формы азотных соединений в почве очень разнообразны. Непосредственно доступны для растений минеральные формы азотных соединений: аммиак, нитраты и нитриты. Содержание последних в почве, как промежуточного продукта, обычно ничтожно и потому практически не имеет значения для питания растений в почвенных условиях. В последнее время экспериментально установлена доступность для растений в качестве источника азотного питания ряда аминокислот (гликокол, глютаминовая, аспарагиновая, а-аланин, аргинин, тирозин и др.). Однако при постановке опытов в стерильных условиях эффективность для растений всех аминокислот была значительно ниже по сравнению с эффективностью нитратов. Нарушение стерильности среды и связанное с ним разложение аминокислот микроорганизмами значительно повышали эту эффективность (Е. И. Ратнер, 1958). Таким образом, основными формами азотных соединений, которыми питается большинство растений, являются аммиак и нитраты. Исключение составляют бобовые растения. Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями, усваивающими свободный азот воздуха и снабжающими растение-хозяина связанными формами азота, питание бобовых не зависит от количества минерального азота в почве (при наличии благоприятных условий для фиксации азота).

Следует также отметить, что древесные растения симбиотически сожительствуют с различными грибами, образующими на корнях микоризу (грибокорень). Микориза может быть эктотрофной, если гифы гриба, располагаясь в межклеточных промежутках корней, образуют вместе с тем чехлик, покрывающий корень снаружи, или эндотрофной, если гифы проникают внутрь клеток и не образуют чехлика. Микориза играет большую, еще, далеко не достаточно изученную роль в питании растений и особенно в их азотном питании: гриб может усваивать азот в форме аминокислот, в дальнейшем передавая часть растению-хозяину. Благодаря этому древесные растения в меньшей мере нуждаются в минеральных формах азота (Н. В. Лобанов, 1953).

Кроме того, ряд грибов микотрофной микоризы обладает способностью, получая углеродистую пищу от растения, усваивать атмосферный азот и не только покрывать собственную потребность в азоте, но и снабжать растение азотной пищей (Федоров, 1954). Этим объясняется возможность произрастания мощных растительных ассоциаций на почвах, очень бедных азотом (как, например, сосновых лесов на песках).

Аммоний
В продолжение второй половины XIX в. вопрос о сравнительной роли аммиака и нитратов в питании растений оставался спорным. Совместными усилиями физиологов и агрохимиков, среди которых первое место принадлежит Д. Н. Прянишникову и его школе, уже более полустолетия назад этот вопрос был решен: было доказано, что физиологически аммиак и нитраты являются равноценными источниками азота для растений, если имеются оптимальные условия, разные для каждого из них (концентрация, реакция среды, сопутствующие ионы и др.) (Прянишииков, 1945). В почвенных условиях, однако, роль аммиака и нитратов в питании растений далеко не одинакова.

Процесс аммонификации чрезвычайно распространен в почвах. Он осуществляется большим числом микроорганизмов, приспособленных к самой различной обстановке. Однако накопление аммиака происходит не всегда, а лишь в тех случаях, когда по тем или иным причинам не происходит дальнейшее превращение аммиака в нитраты. В отличие от аммонификации процесс нитрификации, как мы видели выше, протекает лишь при вполне определенных условиях влажности, температуры, аэрации, реакции среды. В отсутствии этих условий нитрификация тормозится и происходит накопление аммонийных солей. Это происходит при слишком низких (<5) или слишком высоких (>8) значениях pH, при повышенных количествах подвижного А1, малой степени насыщенности основаниями, недостаточной аэрации, низких температурах, повышенных концентрациях воднорастворимого органического вещества и т. д. Такие условия имеются во многих лесных и болотных почвах, в кислых подзолистых и орошаемых каштановых почвах, в черноземах в холодные периоды весной и осенью .

Коллье (D. Collier, 1959) указывает, что аммиачным азотом представлен весь минеральный азот в переувлажненных почвах, 1/2 минерального азота в кислых почвах, 1/10 и менее в почвах нейтральных и известковых.

В качестве примера приведены наши данные содержания аммиачного азота в прииртышском черноземе в весенний период (табл. 125).

Таблица 125 Динамика аммиака под озимой рожью (в мг N на кг почвы) Почва—прииртышский чернозем

С 22/IV по 21/V но мере прогревания почвы количество аммиачного азота быстро падало (табл. 125). В этой таблице обращает на себя внимание часто отмечаемое равномерное распределение аммонийного азота по почвенному профилю на большую глубину. Причины его пока не ясны; возможно, что в некоторых случаях оно связано с передвижением по профилю гуматов NH4 (Ремезов, 1937).

Наличие аммонийного азота в почве еще не указывает на обеспеченность растений азотом. Необходимо принимать во внимание, что катион NH⁺₄ (в отличие от аниона NO⁺₃ энергично поглощается почвой. Общепринятая методика его определения в почве (в солевых вытяжках) учитывает сумму воднорастворимого и поглощенного аммония; в этой сумме воднорастворимый аммоний обычно составляет небольшую часть. Именно способность аммония поглощаться в почве создает ряд преимуществ питания растений аммиаком в почвенных условиях, на которые указывали К. К. Гедройц (1932), А. Н. Ле-бедянцев (1927): поглощенный аммоний не вымывается осадками из верхних слоев почвы, не создает высоких концентраций. Преимущества питания аммиачным азотом отмечал в 1932 г. и А. А. Шмук (1950). Однако, благодаря недостаточности сведений, имевшихся в то время о фактическом наличии аммония в почве, считалось, что содержание NН4 в почве ничтожно, и этому источнику азота не придавали существенного значения.

Накопленный к настоящему времени материал показывает, что в ряде случаев, отмеченных выше, в почве обнаруживаются значительные количества NH4. Казалось бы, о содержании в почве доступного растениям азота в каждый данный момент можно судить по сумме имеющихся в ней количеств аммиачного и нитратного азота, как это и делалось некоторыми авторами (Зайцев, 1938; Славнина, 1949). Однако опытные данные показывают, что ценность почвенного поглощенного аммония как источника азота много ниже, чем нитратов, и наличие даже довольно значительных его количеств в почве еще не означает хорошей обеспеченности растений азотом.

В качестве примера приведем следующие данные, полученные при изучении азотного режима озимых на черноземе Омской области (табл. 126).

Благодаря низким температурам в ранний весенний период здесь преобладала аммиачная форма азота над нитратной (см. табл. 126). При этом на двух агротехнических фонах количества аммиачного азота были близкими, тогда как нитратного N было больше на пару. Если бы аммиачный и нитратный азот были равноценны для питания растений, разница в обеспеченности азотом ржи по пару и по стерне была бы невелика, а она оказалась очень значительной и соответствующей разнице в содержании нитратов на разных фонах. Очевидно, что в данном случае питание азотом шло в основном за счет нитратов.

Таблица 126 Накопление азота в растениях озимой ржи весной в связи с содержанием минерального азота в почве (по Возбуцкой, 1960)

В дерново-подзолистых и серых лесных почвах с низкими значениями pH часто наблюдается значительное содержание аммиачного азота при малом количестве нитратного. Растения на этих почвах постоянно обнаруживают недостаточную обеспеченность азотом и хорошо отзываются на азотные удобрения.

Меньшая доступность почвенного аммонийного азота для растений по сравнению с нитратным объясняется прежде всего тем, что основная часть аммония находится в почве в поглощенном состоянии. Согласно опытам А. В. Петербургского (1957), «доступность пшенице элементов ее минерального питания, внесенных в растворимом виде, почти вдвое выше, нежели из обменно-поглощенного средой состояния». Однако в почвенных условиях доступность поглощенного NH4 составляет, видимо, не 50% от доступности нитратов, а значительно меньшую величину.

Какие же факторы могут влиять на доступность растениям почвенного поглощенного аммония? Основные из них, по-видимому, следующие: а) степень насыщенности аммонием почвенных коллоидов; б) реакция среды и в) сопутствующие катионы.

а) Говоря о подвижности поглощенных катионов, т. е. о легкости их перехода в раствор, что естественно определяет и доступность их растениям, мы отмечали, что большое влияние на подвижность катионов оказывает степень насыщенности почвы данным ионом (см. стр. 160). Чем меньше степень насыщенности, тем меньше подвижность иона и тем меньше его доступность растениям. При тех количествах аммония, которые накапливаются в почве, степень насыщения им коллоидов очень мала (табл. 127).

Таблица 127 Степень насыщенности почв аммонием (в момент анализа). Слой 0—20 см

Особенно мала степень насыщения аммонием черноземов: в этих почвах низкая степень насыщенности им, очевидно, является основ-ным фактором, снижающим коэффициент использования поглощенного аммония

Предположению о роли степени насыщенности почвенных коллоидов ионом аммония, казалось бы, противоречит тот факт, что аммоний удобрений и прежде всего (NH4)2SО4, хорошо усваивается растениями, хотя их вносят в таких количествах, которые могут создать лишь незначительную степень насыщения: 45 кг/га соответствуют ~15 мг N на 1 кг или -0.1 мг/жв на 100 г почвы. Конечно, известная часть аммония из удобрения, разная в каждом отдельном случае, может успеть нитрифицироваться и поступит в растения уже в виде NO3. Помимо этой возможности, можно объяснить усвоение? растением аммония из удобрений тем обстоятельством, что при их внесении идеальное перемешивание с почвой не достигается, и в отдельных очагах степень насыщения аммонием оказывается значительно выше той, которую .можно было бы ожидать на основании расчета.

б) Реакция среды как фактор, влияющий на доступность поглощенного аммония, приобретает большое значение в обширной зоне кислых почв. Работы Д. Н. Прянишникова и его школы (1945) так же, как и работы ряда зарубежных исследователей, показали, что при кислой реакции среды аммиак — худший источник азота, чем нитраты. Именно в том интервале pH (ниже 5,5), который неблагоприятен для нитрификации и способствует накоплению

аммония в почве, этот источник азота является малоэффективным -Имеющихся материалов недостаточно для суждения об этом с количественной стороны, т. е. нельзя сказать, в какой мере снижается доступность поглощенного аммония при тех или иных величинах pH в конкретных почвенных условиях, и, следовательно, пока мы не имеем возможности оценить значение тех количеств аммония, которые обнаруживаются при анализе кислых почв. Ясно только, что их роль в питании растений в этих условиях значительно меньше» чем роль нитратов.

в) Не менее существенным фактором, влияющим на доступность растениям поглощенного аммония, может оказаться состав сопутствующих обменных катионов. Обобщая материалы исследований, проведенных по этому вопросу, Е. И. Ратнер (1950) располагает обычно встречающиеся в почве катионы в следующий ряд: Н+ (А1) < Са²⁺ < Mg²⁺ < К⁺ < Na⁺. Каждый катион в этом ряду сильно подавляет доступность растениям катионов, стоящих впереди, и слабо влияет на доступность катионов, расположенных дальше. Аммония в этом ряду нет, так как исследования с ним не проводились. Но можно считать, что к аммонию в большой степени приложимы те закономерности, которые выявлены по отношению к калию, поскольку эти два катиона (К⁺ и NH⁺₄) близки по своим физико-химическим свойствам (радиусам ионов, числам гидратации, способности обменного и необменного поглощения),— и в вышеприведенном ряду место аммония рядом с калием.

При этом единственным катионом из числа обычно встречающихся в почве, который может снизить доступность растениям поглощенного аммония, явится натрий. Исследования С. С. Ярусова (1938) и Е. И. Ратнера (1950) показали особую роль натрия в подавлении доступности растениям кальция и калия. Эта роль натрия имеет немаловажное значение в создании угнетающей растения обстановки на засоленных почвах. В тех случаях, когда в почвах, содержащих поглощенный натрий, имеются условия, благоприятствующие накоплению аммония (например, в каштановых почвах при орошении — Трепачев, 1955), поступление его в растения, возможно, тормозится одновременным присутствием натрия.

Неясность в вопросе о доступности поглощенного аммония наряду с признанием физиологической равноценности окисленной и восстановленной форм минерального азота привела в ряде случаев к неправильной оценке данных по содержанию поглощенного аммония в почвах. На «богатых аммиачным азотом» почвах сельскохозяйственные культуры в ряде случаев испытывают азотное голодание и отзываются на внесение азотных удобрений значительными прибавками урожая.

На основании данных о наличии аммония в почве нельзя непосредственно судить об обеспеченности растений усвояемым азотом. В отличие от нитратов эта доступность зависит от ряда физикохимических и физиологических факторов, сочетание которых в тех условиях, в которых происходит накопление аммиака в почве, может значительно снизить доступность его растениям. Поэтому недопустимо суммирование азота поглощенного аммония и нитратов, так как это величины неравноценные.

Но как ни низка (относительно) доступность поглощенного аммония, его участие в азотном питании растений несомненно, а в отдельных случаях является основным, например, для болотных растений, а из сельскохозяйственных культур—для риса, возделываемого на затопляемых участках.

Прежде чем закончить раздел о доступности растениям почвенного аммония, следует еще отметить следующее: выше мы видели, что в почве поглощенный' аммоний так же, как и калий, может находиться в необменном положении. Необменный NH4 не переходит в раствор при обработке почвы нейтральными солями, очень слабо нитрифицируется и, конечно, мало доступен или вовсе недоступен растениям.

В условиях вегетационного опыта с применением N15 природный фиксированный аммоний дерново-подзолистой тяжело-суглинистой почвы практически не использовался овсом, тогда как аммоний, дополнительно фиксированный почвой (путем насыщения ее аммонийной солью), использовался в значительной части от 40% до (почти) 100% (И. А. Могилевкина, 1964). Такую разницу в доступности

растениям природного и искусственно введенного фиксированного NH⁺₄ автор предположительно объясняет неодинаковым положением NH⁺₄ в этих двух случаях в кристаллической решетке глинных минералов: искусственно введенный аммоний, не успевая глубоко продиффундировать в глубь решетки, располагается по периферии частицы в отличие от природного фиксированного NH4, который находится дальше от поверхности. Аналогичные данные по доступности фиксированного NH4 получены П. М. Смирновым и Н. И. Фруктовой (1963); в вегетационном опыте использование растениями необменно-поглощенного аммония не превышало 10%.

Однако, как уже отмечалось (стр. 165), прочно связанные ионы аммония могут при известных условиях перейти в состояние непрочносвязанных, т. е. обменных, и, следовательно, должны рассматриваться как резерв азотного питания растений.

Нитраты

Поскольку анион NO^-₃ в почве не поглощается ни химически, ни физико-химически и при достаточной влажности целиком находится в почвенном растворе, не возникает сомнений в возможности его использования растениями и микроорганизмами. Если усвояемость аммиака значительно ухудшается в кислой среде, то на усвояемость нитратов, напротив, подкисление реакции действует положительно. При этом, как -указывает Д. Н. Прянишников (1940), «амплитуда благоприятного действия распространяется у нитратов на большее число ступеней pH, чем у аммиака». При тех величинах pH, которые имеют место в большинстве почв, реакция среды практически никогда не является ограничивающим фактором для использования нитратов растениями. Это использование может быть ограничено лишь недостаточным наличием других элементов питания, например фосфора.

Накопление нитратов в почве свидетельствует о ее хорошем «санитарном» состоянии: те же величины pH, те же концентрации и состав почвенного раствора, степень аэрации, влажность и температура почвы, которые благоприятны для большинства культурных растений, способствуют и процессу нитрификации. Данные по динамике нитратов с успехом используются для характеристики азотного режима самых разнообразных почв, для суждения о целесообразности внесения азотных удобрений, о сроках и дозах их внесения; более того, динамика нитратов в почве в большой мере характеризует ее плодородие.

Напомним, что то количество нитратов, которое в данный момент находится в почве, представляет собой результат (алгебраическую сумму) ряда противоположных процессов: наряду с процессом нитрификации, приводящим к накоплению нитратов, в почве происходит поглощение нитратов растениями и микроорганизмами, вымывание их осадками, а также и денитрификации. Разнообразием этих процессов и их различной выраженностью в тех или иных условиях объясняется динамичность содержания нитратов в почвах.

Методы определения доступного растениям азота в почве

Нитраты определяются в водной вытяжке при отношении почвы к воде, как 1 : 5. После трехминутного взбалтывания вытяжка фильтруется; в фильтрате нитратный азот определяется дисуль-фофеноловым методом (метод Грандваль-Ляжу). Некоторая часть вытяжки (25 или 50 мл) выпаривается в фарфоровой чашке и после охлаждения обрабатывается дисульфофеноловой кислотой:

Определение содержания нитратов ведется обычно в пробах, взятых из нескольких слоев почвы (например 0—20; 20—40; 40—60 см и т. д.). Суммируя количества нитратов, найденных в разных слоях, получают общий их запас в исследованной толще почвы (0—60, 0—100 см), характеризующий обеспеченность растений азотом в данный момент. Запас нитратного N в почве выражается в килограммах на гектар (кг/га); для вычисления его надо знать объемный вес почвы по отдельным слоям, в которых определялись нитраты. Для культур, у которых потребление азота в основном происходит в первый период вегетации (например, для яровой пшеницы), наличие в момент посева такого количества нитратов в почве (в кг/га), которое достаточно для получения высокого урожая, означает отсутствие необходимости в применении азотных удобрений. Для культур с растянутым периодом потребления азота одного предпосевного определения нитратов мало. Недостаток нитратного азота, обнаруженный анализом в тот или иной период вегетации, может быть компенсирован внесением удобрений в виде подкормки.

Аммоний. Поскольку аммоний в почве в большей части находится в поглощенном состоянии, определение ведется в солевой вытяжке, в которую переходят как обменный, так и воднорастворимый NH4. Для приготовления вытяжки используется раствор КС1 или NaCl в концентрации 1—3% (по разным авторам). В различных модификациях метода варьирует и соотношение между почвой и раствором (I : 10 и 1 : 30) и время их взаимодействия (Турчин, 1960; Аринушкина, 1962). В отфильтрованной вытяжке NH4 определяется колориметрически при помощи реактива Несслера, который дает с ионом NH4 желто-окрашенный йодистый меркураммоний:

Для вытеснения необменно поглощенного МН4 должны применяться более сильные реактивы, чем растворы нейтральных солей (например, кипящая 10%-ная HNО3).

Нитрификационная способность. Как отмечалось выше, количество нитратов в почве весьма подвижно и в течение года подвергается резким колебаниям в зависимости от ряда факторов. Очевидно, проба почвы, взятая в поле в какой-то случайный момент, может содержать самые разнообразные количества минеральных форм азота и не позволит ни оценить обеспеченность растений азотом на данной почве, ни сравнить в этом отношении эту почву с другими.

В качестве показателя обеспеченности почвы азотом рядом исследователей (Кравков, Ваксман, Немец) было предложено определение нитрификационной способности почвы. Основной принцип метода заключается в следующем: навеска почвы ставится в лаборатории в определенные, благоприятные для нитрификации условия температуры (28—30° С) и влажности (50—60% от полной влаго-емкости). По истечении некоторого срока при помощи водной вытяжки определяется количество образовавшихся нитратов. Таким образом, метод позволяет учесть способность почвы к накоплению нитратов в определенных условиях, одинаковых для всех исследуемых почв.

Гидролизуемый азот. Методом определения гидролизуемого азота, предложенным И. В. Тюриным и М. М. Кононовой (1934), учитывается азот, находящийся в почве в данный момент в минеральной форме, а также азот наиболее легко разлагаемой части органического вещества, которая в ближайшее время может быть минерализована. Так как первые стадии разложения связаны с гидролизом, то метод заключается в действии на почву слабой кислотой (0,5 н. H2SО4). При этом наиболее легко гидролизуемая часть органического азота переходит в раствор. Определение общего количества азота в фильтрате дает количество легкоподвижного азота в почве. Поскольку, помимо наличия легко гидролизуемого азота в почве, большое зпачение имеет и скорость минерализации, которая зависит от физико-химических свойств и биологической активности, данные по гидролизуемому азоту для различных почв неодинаково характеризуют обеспеченность растений азотом.

Пути пополнения запасов азота в почве

Выше уже отмечалось, что из элементов питания, которые растение берет из почвы, азот занимает первое место: процентное содержание азота в растениях, а в связи с этим вынос его с урожаями выше, чем любого из остальных элементов. Чем выше урожаи, тем, естественно, большие количества азота отчуждаются из почвы.

Для получения высоких урожаев со всей площади посевов даже на богатых гумусом и азотом почвах недостаточно того количества минерального азота, которое накапливается в них в результате процессов минерализации, другими словами — мобилизации их природных запасов, даже если они усилены приемами обработки.

Из культурных воздействий, направленных на обогащение почв азотом, важнейшее значение имеет культура бобовых, использующих благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями азот атмосферы. Чем больше урожаи бобовых, тем выше их значение в обогащении почв азотом. Отдельные виды бобовых, культура которых преследует различные хозяйственные цели, по-разному влияют на запасы азота в почвах. Связанный азот, накопленный в бобовых растениях, наиболее полно идет на увеличение почвенного запаса в случае запашки бобового на зеленое удобрение (люпин). При культуре бобовых трав на сено в почве сохраняется лишь азот корневых и послеукосных остатков, что составляет 1/2 всего азота растений при культуре клевера (75—80 кг/га_ N в год) и 1/3 азота при культуре люцерны (100 кг/га N в год) .

Недавно опубликованные данные И. В. Тюрина е сотрудниками (1962) показывают, что фиксированный N в значительно большей части находится в надземной массе бобовых по сравнению с корнями, чем это было до сих пор принято. Так, для красного клевера вынос N в кг/га с урожаями (т. е. содержание азота в сене) за три года был в 4,2 раза больше, чем содержание азота в корнях и пожнивных остатках; в урожаях сена люцерны синегибридной за четыре года азота было в 7,3 раза больше, чем в корнях и пожнивных остатках.

Остальная часть азота вместе с сеном удаляется с поля и может быть возвращена в почву лишь в форме навоза от скота, которому скармливается сено. Зерновые бобовые культуры (горох, фасоль, соя, бобы), давая богатое белком зерно (что имеет большую кормовую и пищевую ценность), содержат в надземной массе (главным образом, в зерне) большое количество азота, накопленного за счет деятельности клубеньковых бактерий, но не только не обогащают, а даже несколько обедняют почву азотом (Д. Н. Прянишников, 1945). Азот зерновых бобовых может вернуться в почву лишь с навозом (1).

1 То обстоятельство, что зернобобовые, как, например, горох, тем не менее являются хорошими предшественниками для ряда культур, высокотребовательных к уровню азотного питания, объясняется тем, что почва после зернобобовых культур менее истощена в. отношении азота, чем после небобовых культур.

Применение навоза и других органических удобрений (торф, компосты) является наиболее универсальным способом восстановления запасов азота (так же, как и других питательных элементов в почве). Навоз в среднем содержит —0,5% N, следовательно, с 20 т навоза на гектар вносится около 100 кг азота. Но фактическое количество азота, которое попадает в почву с навозом, в большой мере зависит от способов его подготовки, хранения, внесения и заделки в почву.

Вместе с развитием химической промышленности все большее значение приобретает применение минеральных азотных удобрений. Наиболее распространенными в настоящее время являются азотнокислый аммоний, сульфат аммония и мочевина. Это хорошо растворимые соли, аммоний которых энергично поглощается почвой: -большое значение приобретает также жидкий аммиак.

Для выполнения задач, стоящих в настоящее время перед сельским хозяйством нашей страны,— интенсивного использования почв; получения максимального урожая с каждого гектара; расширения площадей под высокопроизводительными культурами, предъявляющими высокие требования к питательному режиму, при одновременном сохранении и повышении почвенного плодородия,— необходимо широкое использование всех путей пополнения запасов азота в почве.

Потери азота из почвы

Для поддержания бездефицитного азотного баланса в почвах необходимо детальное знание всех статей этого баланса: прихода и расхода. В последнее десятилетие исследования, проводившиеся

1 Наибольшие потери NH3 происходят при внесении мочевины в качестве азотного удобрения, особенно при неглубокой ее заделке.

По данным Ф. В. Турчина (1964), из внесенных в почву удобрений от 50 до 75% азота использовалось растениями на построение урожая; от 5 до 25% поглощалось почвенными микроорганизмами и превращалось в азот органического вещества почвы; от 10 до 35% внесенного азота терялось из почвы в результате денитрификации, при этом большие потери имели место при внесении нитратных удобрений и меньшие — аммиачных .

При внесении в почву аммиачных солей сначала происходит их нитрификация и лишь затем образовавшиеся нитраты могут подвергнуться денитрификации.

Потери азота из почвы в атмосферу происходят не только при внесении минеральных удобрений, но и при удобрении навозом, а также (хотя и в меньших размерах) — на неудобренных участках, как показали непосредственные определения выделяющихся газов в поле (Б. Н. Макаров, 1965).

Наибольшие потери азота из почвы в атмосферу наблюдаются на парующих участках; очевидно, с ними связано резкое уменьшение содержания азота в почве длительно парующих участков (ср. табл. 36 на стр. 110). На участках, занятых растениями, потери азота значительно меньше.

Потери азота при выщелачивании в результате просачивания атмосферных осадков также значительно больше на парующих участках, чем под растениями (Бобрицкая и др., 1965).

Азотный режим отдельных почвенных типов

Ограничиваясь сказанным о формах доступного растениям азота, методах их определения и способах пополнения запасов азота в почве, перейдем к краткой характеристике азотного режима отдельных почвенных типов.

Как мы видели выше, среди ряда почв с нормальным увлажнением черноземы отличаются самым высоким содержанием гумуса и общего азота (см. табл. 14 на стр. 82—83). В то же время на целинных черноземных почвах иод естественной степной растительностью количество нитратов обычно очень мало или равно нулю. Кроме того, нитраты здесь обнаруживаются в ничтожных количествах лишь в самом верхнем слое почвы (0—5, 0—10 см), а в нижних горизонтах (глубже 10—20 см) их совсем не находят (Францессон, 1956; Шевлягин, 1956). Отсутствие нитратов (или очень малое количество их) в целинных черноземах объясняется прежде всего тем, что такие почвы всегда покрыты растительностью. Растения сразу же используют нитраты, которые появляются в результате нитрификации. Если растения удаляются, то в почве таких чистых площадок наблюдается нарастание количества нитратов (табл. 128).

Помимо того, что растения используют нитраты для своего питания, количество их под растениями, снижается потому, что произрастание растений ухудшает условия, необходимые для нитрификации: в почве под растениями влажность ниже, чем в их отсутствие; уменьшается также содержание кислорода в почвенном воздухе в связи с усиленным потреблением его корнями.

С распределением кислорода в почвенном воздухе (уменьшение О2 с глубиной) связано то обстоятельство, что нитрификация в основном протекает в верхнем слое почвы. В глубокие слои нитраты проникают, благодаря диффузии и передвижению с водой (вымыванию). Это хорошо видно и из данных табл. 128. Однако не одним только различием в аэрации, точнее в обеспеченности кислородом, объясняется разница хода нитрификации в различных слоях почвы. Слабая нитрификационная способность нижних слоев почвы проявляется даже при ее определении в лаборатории, где условия аэрации выравнены (табл. 129). Можно предполагать, что разница в нитрификационной способности слоев почвы объясняется различной численностью и активностью соответственной микрофлоры, что связано со всем комплексом условий этих слоев .

1 В. А. Францессон (1956) считает, что преимущество верхнего слоя, отличающегося повышенной нитрификационной способностью, объясняется тем, что этот слой периодически подвергается высушиванию. В его опытах нысушивание почвы нижних слоев резко повышало нитрификацию. То же утверждение имеется в более ранних работах Лебедянцева (1960).

Таблица 126 Динамика нитратного азота (в мг на 1 кг почвы) на площадке целины, с которой удалены растения Почва — южный чернозем (совхоз «Сибиряк» Омской обл.) (по Шевлягину, 1961)

1 Дата удаления растений.

Таблица 120 Нитрификационная способность разных слоев целинного чернозема (в мг нитратного N на 1 кг почвы) (по Францессону, 1956)

Таблица 130 Действие азотного удобрения на урожай травостоя (ц/га) в заповедной Стрелецкой степи (Курская обл.) Почва — мощный слабовыщелоченный чернозем (по Болотиной, 1950)

Таким образом, в целинных черноземных почвах, несмотря на их богатство азотом (по общему его содержанию) в балансе доступного растениям нитратного азота наблюдается преобладание расходной части (потребление растениями, восстановление) над

приходной (нитрификация). В результате растения здесь далеко не обеспечены азотом; производительность их, измеряемая урожаем степных трав (Кроме азота, лимитирующий фактор здесь и влажность почвы.), относительно низка и значительно возрастает при внесении азотных удобрений (табл. 130).

Обработка целинных черноземов, включение в сельскохозяйственную культуру резко изменяет их нитратный режим. Под влиянием рыхления почвы, повышающего аэрацию обрабатываемых слоев (а до некоторой степени — и более глубоких) и освобождения почвы от растений на тот или иной срок, происходит накопление нитратов. Это накопление тем более значительно, чем глубже обработка и чем больше период от обработки до посева растений.

Следует отметить, что сразу после подъема целины накопление нитратов идет слабее, чем в соответственно обрабатываемых старопахотных почвах, и лишь постепенно выравнивается с ними (Фран-цессон, 1956). Возможно, что это объясняется биологическим закреплением образующихся нитратов в телах микроорганизмов, разлагающих растительные остатки, которыми богата вновь поднятая целина.

Особенно большое количество нитратов накопляется в почве паровых полей. При этом обогащаются нитратами не только верхние слои почвы, но и более глубокие (до метра и глубже). Судьба нитратного азота, накопляющегося к осени в почве паровых полей в больших количествах (до 200—300 кг на 1 га и более в метровом слое), определяется рядом обстоятельств: характером культуры, высеваемой по пару (озимая или яровая), количеством осадков и температурными условиями в осенне-зимний период.

После максимума накопления нитратов в пару, который наблюдается обычно в августе, количество их в верхних слоях почвы быстро снижается. Если по пару сеется озимая культура, то это падение частично объясняется поглощением нитратов растениями развивающейся озими. Но уменьшение количества нитратов к весне наблюдается и в случаях, если паровое поле предназначено для посева яровой культуры и до весны остается свободным от растений. За счет осенних и зимних осадков происходит передвижение нитратов из верхних горизонтов почвы в нижние, причем это вымывание тем сильнее, чем больше осадков выпадает в осенне-зимний период и чем легче механический состав почвы. На черноземах Западной Сибири, где среднее количество осадков за период с октября по март равняется 98 мм (Омск), передвижение нитратов вниз по профилю незначительно, и в метровом слое к весне полностью сохраняются все нитраты, которые в нем были осенью (табл. 131).

В более влажном климате (Киевская обл.) обеднение верхних горизонтов к весне более резко (табл. 132).

Помимо вымывания, возможно усиление биологического закрепления нитратов (т. е. поглощения их микроорганизмами) в осенний период, когда нитрификация ослабевает в результате снижения температуры почвы.

Культуры, идущие по парам, хорошо обеспечены азотным питанием. Однако следует отметить, что в таких условиях, когда весной после пара верхние горизонты почвы не содержат нитратов, пар не является хорошим средством обеспечения азотом яровых культур.

Таблица 131 Содержание нитратного азота в почве паровых полей осенью и после пара весной. Почва — слабовыщелоченный чернозем (Омск) (по Кочергину и Остроумовой, 1957)

Таблица 132
Нитратный азот (мг/кг) в опыте Белоцсрковского отделения Киевской областной опытной станции. Почва — северный легкосуглинистый чернозем
(по Найдину, I960)

Озимые, имеющие в это время уже развитую корневую систему, черпают нитраты из глубоких слоев почвы.

При дальнейших посевах (вторая, третья и т. д. культуры после пара) запас нитратов в почве постепенно снижается: под растениями сплошного посева (зерновые хлеба) нитрификация ослабляется и потребление растениями не компенсируется накоплением нитратов.

При значительном удалении от пара зерновые культуры испытывают недостаток азота и положительно реагируют на азотные удобрения. Следует в связи с этим учитывать, что замена чистых паров занятыми на черноземных почвах приводит к необходимости применения большего количества минеральных удобрений для получения высоких урожаев.

При посевах пропашных культур (кукуруза, сахарная свекла, подсолнечник, картофель) накопление нитратов идет интенсивнее, чем под культурами сплошного посева: сказываются большие расстояния между растениями и междурядные рыхления. Количества нитратов в почве междурядий могут быть значительными (Болотина, 1960). Но пропашные культуры, создающие большую зеленую массу, проявляют потребность в большом количестве азота и после уборки урожаев пропашных в почве остается такое же небольшое количество нитратов, как и после уборки зерновых. В связи с большой потребностью в азоте пропашные культуры хорошо отзываются на азотные удобрения и на черноземах. Многолетние травы, занимающие поле два-три года и сильно уплотняющие почву, приводят к истощению запасов нитратов как в верхних, так и в нижних горизонтах. Нитратный режим под многолетними травами постепенно приближается к такому, какой имеет место на целине.

В целях получения высоких урожаев всех культур на черноземных почвах с одновременным сохранением и дальнейшим повышением содержания в них азота необходимо: 1) полное использование в качестве удобрения навоза, содержащего азот той части урожая, которая скармливается животным; 2) широкое распространение посевов бобовых культур и 3) внесение минеральных азотных удобрений.

Подзолистые а дерново-подзолистые почвы в отличие от черноземов характеризуются значительно более низким содержанием гумуса. Целинные подзолистые и дерново-подзолистые почвы покрыты лесами хвойными, лиственными или смешанными. Своеобразие азотного режима в лесах определяется тем, что основные лесные породы являются микотрофами и снабжаются за счет органического азота почвы, благодаря жизнедеятельности гриба, образующего микоризу. Сосна, ель, лиственница, а также дуб являются высокомикотрофными растениями и в любых почвенных условиях имеют на корнях эктоэндотрофную микоризу. Береза, осина, ольха, клен, липа, вяз и пр. относятся к числу слабомикотрофных пород, которые иногда имеют микоризу, но могут расти и без нее (Лобанов, 1953). Таким образом, древесные породы в своем азотном питании мало зависят от деятельности бактерий — минерализаторов органических соединений азота.

В целинных подзолистых и дерново-подзолистых почвах условия таковы, что аммонификация в них выражена хорошо, а нитрификация резко подавлена и часто совсем отсутствует: это связано с кислой реакцией почв, недостаточной их аэрацией, высокой концентрацией воднорастворимых органических соединений и наличием битумов и некоторых других веществ, токсически действующих на возбудителен нитрификации. Конечно, все эти условия широко варьируют в ряду от подзола с pH солевой вытяжки ниже 4 до дерново-слабоподзолистой почвы со слабокислой реакцией (pH ~ 6). После сведения леса и распашки процесс нитрификации постепенно нарастает, происходит накопление нитратов, хотя далеко не такое значительное, как па богатых азотом черноземах. Наряду с нитратами в кислых подзолистых и дерново-подзолистых почвах присутствует обычно аммоний. Однако, как отмечалось выше, доступность аммония растениям в условиях кислой реакции сильно снижена.

В паровых полях на дерново-подзолистых почвах происходит заметное накопление нитратов. Количество их значительно колеблется в зависимости от механического состава, степени оподзоленности, а также от окультуренности почвы (табл. 133 и 134).

Песчаная дерново-среднеподзолистая почва Соликамской опытной станции с содержанием гумуса в пределах 1—2% в течение парового периода накопляет чрезвычайно малые количества нитратов (табл. 133). В тяжелосуглинистой почве (Центральная опытная станция ВИУА в Барыбине), содержащей больше гумуса и общего азота, нитратов на пару накопляется значительно больше, причем на среднеокультуренном участке (который в большей мере был унавожен в прошлом) количество нитратов выше, чем на слабо-окультуренном (табл. 134).

При посеве озими по неудобренному пару на дерново-подзолистых почвах запас нитратов истощается уже за осенний период вегетации растений. Верхние горизонты обедняются в отношении нитратов еще благодаря обильным осадкам осенне-зимнего периода. Поэтому весной озимые испытывают недостаток в азоте и отзываются значительным повышением урожая на подкормку азотными удобрениями.

Из сказанного видно, что в зоне подзолистых и дерново-подзолистых почв содержание почв под чистым паром не имеет существенного значения для обеспечения усвояемым азотом идущей по пару культуры и замена чистых паров занятыми мало изменяет общую потребность севооборота в азотных удобрениях.

Динамика нитратов под различными культурами обнаруживает те же закономерности, которые мы отмечали для черноземов: под яровыми культурами сплошного посева нитратов очень мало, под пропашными несколько больше (табл. 135); под травами они совсем исчезают.

Таблица 133 Динамика нитратов (в мг N на I кг почвы) в почве пара без удобрения. Соликамская опытная станция. Почва—дерново-среднеподзолистая песчаная (по Прокошеву, 1952)

Таблица 134 Динамика нитратов в пахотном слое паровых делянок в зависимости от степени окультуривания. Центральная опытная станция ВИУА (Барыбино). Почва — дерново-подзолистая тяжелосуглинистая (по Михалеву, I960)

Таблица 135 Динамика нитратов (в мг N на 1 кг почвы) под различными культурами. Опытное поле ТСХА. Дерново-подзолистая тяжело-суглинистая почва (пахотный слой) (пи Кудрявцевой, 1925)

Малое количество нитратов на всех полях приводит к необеспеченности растений азотом, что характерно для всех подзолистых и дерново-подзолистых почв. Исключение составляют лишь высокоокультуренные разности, по азотному режиму приближающиеся к черноземам.

Улучшение азотного режима этих почв достигается:

1) мероприятиями, направленными на обогащение почв органическим веществом и азотом (внесение органических удобрении (навоза, торфа, компостов), культура бобовых на сено и зерно, запашка зеленой массы бобовых в качестве сидерального удобрения);

2) известкованием, ведущим к нейтрализации почвенной кислотности, в результате чего повышаются урожаи бобовых и улучшаются условия для жизнедеятельности микроорганизмов — нитрификаторов

Таблица 136 Влияние извести и навоза на количество микроорганизмов в дерново-подзолистой почве. Агробиологическая станция МГУ (по Авдонину, 1960)

Таблица 137
Влияние длительного применения физиологических кислых азотных удобрений на урожай ячменя (ц/га). Соликамская опытная станция Почва — дерново-сильноподзолистая рыхлопесчаная (по Прокошеву, 1950)

и азотфиксаторов (табл. 136). В известкованных почвах постепенно создается обстановка, в которой возможно активное существование Azotobacter’a, значительно усиливается деятельность клубеньковых бактерий;

3) внесением минеральных азотных удобрений.

Следует отметить, что на кислых подзолистых почвах большое значение имеет форма азотных удобрений. Известно, что такие нитраты, как NaNО3, отличаются физиологической щелочностью, т. е. в результате их использования растениями реакция среды смещается в щелочную сторону. Аммиачные соли, такие, как (NH4)2SО4, напротив, являются физиологически кислыми; при питании ими растений среда подкисляется. К физиологически кислым солям относится и NH4,NО3 — самое распространенное в настоящее время азотное удобрение. Длительное применение аммиачных солей вызывает подкисление подзолистых почв тем более резкое, чем ниже буферная способность этих почв. Подкисление снижает урожай. Исправить положение может известкование (табл. 137). Применение жидкого аммиака на кислых почвах, естественно, весьма желательно.

Сероземы хлопкосеющих районов среднеазиатских республик отличаются чрезвычайно малым содержанием гумуса и азота: количество азота в них колеблется от 0,05 до 0,15% от веса почвы. Климат этих районов, характеризующийся высокими температурами в течение большей части года и очень малым количеством осадков (100— 350 мм в год при незначительном количестве осадков летом), приводит к тому, что растительность на целинных почвах состоит из эфемеров, вегетация которых ограничивается кратким весенним периодом, а в летние месяцы поверхность почвы остается голой, лишенной растительности. В иссушенной почве замирают и микро-биологические процессы.

На обрабатываемых и орошаемых сероземах в условиях благоприятной температуры и влажности, а также хорошей аэрации при культуре пропашных растений (хлопчатника) усиленно идут процессы минерализации. Процессу нитрификации здесь способствует и благоприятная, близкая к нейтральной реакция сероземов, обычно содержащих карбонат кальция. Благодаря всем этим условиям нитрификация в орошаемых почвах протекает интенсивно; ограничивающим фактором здесь является лишь малое содержание органического вещества, отмеченное выше. В связи с этим, несмотря на интенсивность нитрификации, количество накопляющихся нитратов на неудобренных сероземных почвах бывает невелико и удобрение резко повышает его (табл. 238).

При наличии свежих органических остатков после распашки люцерны (табл. 138) накопление нитратов идет интенсивно и количество их не снижается и в июле под развивающимися растениями хлопчатника.

Таблица 138 Содержание нитратов под хлопчатником при высоком уровне агротехники. Колхозы Ферганской области (по Балябо, 1954)

Как уже отмечалось выше, процессы минерализации проходят на орошаемых сероземах настолько бурно, что в результате общее содержание в них органического вещества, а следовательно, и азота быстро снижается. Для возобновления его большое значение имеет культура люцерны.

Большое значение имеет здесь и деятельность свободно живущих азотфиксаторов: Azotobacter и Clostridium Past. В неорошаемых почвах азотобактер не развивается, а орошаемые почвы очень богаты им, причем под люцерной количество клеток азотобактера значительно больше, чем под хлопчатником.

Несмотря на интенсивность процессов нитрификации, для получения тех высоких урожаев хлопка, которые обеспечиваются на орошаемых сероземах имеющимися здесь количествами тепла и влаги, необходимо внесение азотных удобрений, органических и минеральных, которые и применяются в хлопкосеющих хозяйствах в больших количествах.

Остановимся на азотном режиме еще одного типа почв — красноземного. Красноземы так же, как и сероземы, расположены в зоне субтропического климата, но отличие состоит в том, что сероземы находятся в зоне сухих субтропиков, а красноземы — влажных. Количество осадков, выпадающих в Западной Грузии, где красноземы — наиболее распространенные почвы, колеблется от 1400 мм (Сухуми) до 2500 мм в год (Батуми). Как уже было сказано ранее, красноземы отличаются значительной кислотностью и высоким содержанием полуторных окислов. В гумусовом слое целинных красноземов, имеющем мощность 15—25 см под естественной растительностью, содержание гумуса равно 5—6%, а азота 0,2—0,3/о. С переходом в нижележащий горизонт содержание гумуса резко надает. Для азота характерно более постепенное снижение с глубиной. Благодаря хорошей микро- и макроструктуре, обеспечивающей хорошие физические свойства, высокой влажности и температуре, процессы минерализации органического вещества, в том числе и нитрификация, проходят в красноземах сравнительно интенсивно, несмотря на их кислую реакцию. Как показывают микробиологические исследования (Н. А. Дараселия, 1960), в красноземах развиваются различные виды азотобактера, правда в незначительных количествах. Чаще всего встречается Azotobacter indi-cum, приспособленный к низким значениям pH. Clostridium Past, в красноземных почвах много.

Как в выше рассмотренных почвах, в целинных красноземах накопление нитратов не имеет места: анализы обнаруживают или полное отсутствие нитратов, или незначительное их количество. В обрабатываемых почвах идет накопление нитратов, наиболее интенсивное в летние месяцы.

Большое количество выпадающих осадков приводит к вымыванию нитратов, особенно на парующих, не занятых растительностью, участках (табл. 139).

Таблица 139 Содержание аммиака и нитратов в водных вытяжках из краснозема (в мг N на I кг почвы) (по Дараселияу 1949)

Таблица 140 Содержание нитратов (в кг N на 1000 мл фильтрата) в водах лизиметров, установленных на чайной плантации (по Да расе ли я, 1949)

Динамика накопления нитратов и их вымывания в условиях красноземных почв видна из данных содержания NO^-₃ в водах лизиметров, установленных под разными горизонтами (табл. 140):

нитраты здесь проникают на большую глубину, превышающую 150 см, причем в нижних горизонтах их тем больше, чем больше накопляется в верхних.

Для предохранения почвы от потери азота в результате вымывания нитратов рекомендуется не оставлять участки без растений, а в междурядьях чайных плантаций осенью высевать растения, которые, поглощая нитраты, сохраняют азот в верхних слоях почвы. В дальнейшем после отмирания и разложения этих растений поглощенный ими азот снова может быть использован чайными кустами. По данным М. К. Дараселия (1949), с августа по октябрь вымывалось из почвы, находящейся в состоянии чистого пара, около 36 кг азота, а из почвы, покрытой росичкой (Digitaria Sanguinalis),— менее 4 кг на 1 га.

Таблица 141 Влияние азотных удобрений на урожай зеленого чайного листа на красноземной почве (в % от контроля) (по Дараселия, 1949)

Большие потребности в азоте растений, возделываемых на красноземах (1) среди которых особенное значение имеет чайный куст, не обеспечиваются теми количествами минерального азота, которые накопляются в этих почвах, тем более, что заметная часть нитратов вымывается. Поэтому внесение азотных удобрений (и притом в больших дозах, но обязательно дробно — в несколько сроков) совершенно необходимо для получения высоких урожаев (табл. 141).

Внесение минеральных азотных удобрений в форме аммиачных солей приводит к увеличению кислотности красноземов; поэтому здесь полезно известкование в дозе, повышающей pH почвы до 5,5.

Большое значение для красноземных почв имеет применение органических удобрений. Совместное использование органических и минеральных удобрений наиболее благоприятно для азотного режима.

1 Урожай чайного листа в 3000 кг/га содержит —35 кг N; листья и ветки, удаляемые при подрезке чайных кустов, содержат около 65 кг/га N. Всего с чайной плантации ежегодно отчуждается —100 кг/га N. Урожай кукурузы (42 ц/га зерна) выносит с зерном и соломой 150 кг N с 1 га (М. К. Дараселия, 1949).

содержание .. 23 24 25 26 ..