ХИМИЯ ПОЧВЫ. ОРГАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

Азот почвы. Круговорот азота в природе. Биологическое связывание азота микробами-азотфиксаторами

Азот имеет первостепенное значение в жизни растений. Белковые вещества, содержащие 16—18% азота, составляют главную часть протоплазмы живых клеток и являются материальной основой жизни. Эволюция жизни на Земле, от которой зависит и развитие почв, тесно связана с процессами круговорота азота и его накопления в органической форме в растениях и в почве.

Так же как образование гумуса в почвах, появление в них азота связано с жизнедеятельностью организмов. Магматические породы не содержат азота, а в осадочных породах азот содержится в очень небольших количествах. В процессе почвообразования, по мере обогащения выветривающихся горных пород органическим веществом, происходит и накопление связанного азота в поверхностном слое земной коры — его биологическая аккумуляция за счет свободного азота атмосферы.

Основная масса азота почвы входит в состав сложных органинеских соединений почвенного гумуса низкомолекулярные органические и минеральные соединения азота составляют небольшую часть от его общего содержания в почве.

Как мы видели выше, гумусовые вещества содержат азот как в ароматическом ядре (в виде гетероциклов и мостиков), так и в периферических цепях, где большую роль играют разнообразные аминокислоты.

Недавние исследования, проведенные методом хроматографии с продуктами кислого гидролиза гумусовых веществ (Зырин, Овчинникова и Орлов, 1964), показали присутствие в гидролизате 17 аминокислот аспарагиновой, глютаминовой, серина, глицина, треонина, а-аланина, валина, метионина, лейцина, лизина, гистидина, аргинина, аминомасляной, пролина, тирозина, фениаланина, цисти- на. В наибольших количествах встречаются первые 8—10 аминокислот из этого списка, составляя 80% и более от всех аминокислот.

Азот аминокислот, наиболее подвижная часть азота гумуса, представляет лишь небольшую часть его общего содержания в гумусе. Как видно, основанной на данных Орлова и Овчинниковой (1966), гидролизуемый N аминокислот составляет в сумме трех фракций гумусовых веществ (фульвокислот, гуминовых кислот и гумина) 27—37% от общего N этих фракций; основная же часть N гумуса входит в состав негидролизуемых устойчивых соединений (в том числе гетероциклических). Интересно отметить, что в черноземе, содержащем наибольшее (среди изучавшихся почв) количество гумуса, относительно больше накопляется устойчивых, наименее подвижных соединений азота.

При разложении гумуса под влиянием микроорганизмов легче всего освобождаются аминокислоты, которые в дальнейшем под действием микробов-аммонифакаторов отщепляют аммоний.

Аммоний появляется в почве и в результате разложения растительных остатков, в которых N содержится преимущественно в виде протеинов; подвергаясь гидролизу, протеины распадаются на аминокислоты, на которые воздействуют аммонификаторы.

Образующиеся аммонийные соли могут быть использованы растениями или микробами или включаются в процесс гумификации, и тогда азот их снова оказывается связанным в органических соединениях. Кроме того, аммоний является исходным материалом для нитрификации, т. е. образования нитратов — солей азотной кислоты. Процесс нитрификации осуществляется в две стадии. Первая из них: 2NH3 + 302 ->- 2HNOa -]- 2Н20 производится бактерией Nitrosomonas и приводит к образованию азотистой кислоты. Вторая стадия: 2HN02 -г 02 2HN03 проходит при участии бактерии Nitrobacter и дает азотную кислоту х. Соли азотистой кислоты в почве обычно не накопляются и быстро переходят в азотную кислоту, которая нейтрализуется за счет оснований почвы, образуя нитраты. Нитраты (и нитриты) в свою очередь являются питательным материалом и для растений, и для микробов.

Следует отметить, что нитраты являются той формой азотных соединений, которая легко может быть потеряна почвой. Потери азота могут происходить двумя путями. Так как нитраты хорошо растворимы в воде и практически не поглощаются, не удерживаются почвой, то они могут быть вымыты осадками в нижние горизонты  . Потери нитратного азота имеют место также в условиях недостаточной аэрации, когда происходит процесс денитрификации: используя кислород нитратов, бактерии-денитрификаторы освобождают молекулярный азот, который уже не является питательным материалом для растений и большинства микроорганизмов.

Но в природе существуют также процессы, вовлекающие свободный азот в биологический круговорот. Под влиянием электрических разрядов, происходящих в атмосфере, азот соединяется с Н или О и образует NH3 и N02, которые вместе с осадками попадают в почву. Однако количество такого связанного азота обычно незначительно. Согласно данным исследований, проведенных в последние годы в разных климатических зонах европейской части СССР, ежегодное количество связанного азота, поступающее в почву с осадками, равно 3—4,5 кг!га (независимо от количества выпадающих осадков). При этом связанный азот атмосферных осадков находится преимущественно в аммиачной форме (Бобрицкая, 1962а).

Несравненно большее значение имеет биологическое связывание азота микробами-азотфиксаторами. Эти микроорганизмы обладают способностью усваивать свободный азот и использовать его для построения протеинов своей плазмы. Свободноживущие бакте- рии-азотфиксаторы: аэробная бактерия — Azotobacter (известно несколько видов: A. chroococcum, A. agile, A. vinelandii) и анаэробная — Clostridium pasteurianum обогащают почву органическими формами азота за счет своих отмирающих клеток.

Кроме Azotobacter и Clostridium, известны еще некоторые микроорганизмы, обладающие способностью фиксации азота. К ним относятся бактерии Azotomonas insolita, Pseudomonas radiobacter, гриб Phoma betae и др., но- азотфиксирующая способность их незначительна, а частично мало изучена (Федоров, 1954). Способностью фиксировать азот обладают некоторые сине- зеленые водоросли, сочетающие фотосинтез и азотфиксацию в одной клетке. Известно около 40 видов сине-зеленых водорослей — азотфиксаторов (из них в СССР 17 видов). Азотфиксирующая деятельность сине-зеленых водорослей изучалась, главным образом, в условиях затопляемых рисовых полей, где накопление водорослями связанного азота достигает 80 кг!га в год, что обеспечивает получение урожая без внесения азота. Сине-зеленые водоросли — азотфиксаторы особенно интересны как организмы, сочетающие в одной клетке фотосинтез и азотфиксацию; они усваивают свободный N в отсутствие готового органического вещества, т. е. в условиях, в которых другие азотфиксаторы недеятельны (Э. А. Штина, 1962, 1964).

Источником энергии, необходимой для фиксации свободного азота, являются разнообразные углеводы, подвергающиеся окислению. Azotobacter отличается большей продуктивностью фиксации азота: на 1 г сахара он фиксируе т в благоприятных условиях около 15 мг азота, тогда как анаэробная бактерия Clostridium Past, фиксирует лишь 2—3 мг азота на 1 г сахара, что объясняется меньшим количеством энергии, получающейся при сбраживании Сахаров, в анаэробных условиях, чем при аэробном их окислении. В почвенных условиях продуктивность азотфиксации свободно живущими: бактериями зависит от наличия органических остатков, являющихся энергетическим материалом: чем больше количество этих остатков, тем большее количество азота связывается бактериями. Следует отметить, что Azotobacter весьма требователен к условиям: среды, прежде всего к ее реакции (рН) и аэрации, и на кислых почвах почти не встречается; Clostridium Pasteurianum представляет собой чрезвычайно распространенный организм.

Другая группа азотфиксаторов — клубеньковые бактерии (род Rhizobium)— живет в симбиозе с бобовыми растениями, снабжающими их углеводами. Связанный в клубеньках азот используется растением-хозяином и попадает в почву вместе с его остатками.

Механизм фиксации азота еще не полностью выяснен несмотря на многочисленные исследования, посвященные ему. Большинство исследователей склоняется к тому, что фиксация идет через аммиак и имеет общий характер для всех азотфиксирующих организмов.

Недавние работы советских ученых вносят новые представления о процессе азотфиксации клубеньковыми бактериями. Известно, что клубеньковые бактерии не могут фиксировать молекулярный азот вне высшего растения, т. е. что этот процесс может осуществляться лишь в симбиозе с высшим растением. Ф. В. Турчиным с сотрудниками проведены исследования с использованием тяжелого изотопа N15, который вводился в атмосферу камеры, где помещалось бобовое растение. Этими исследованиями выяснено, что фиксация азота происходит не в телах бактерий, а в ткани клубеньков, образующихся при поселении бактерий Rhizobium на корнях бобовых растений.

В проведенных опытах через 12—24 ч экспозиции N15 обнаруживался только в клеточном соке клубеньковой ткани и отсутствовал в телах самих бактерий. При более длительной экспозиции (48,90 ч) N16 обнаруживается п в бактериях, и в азотистых фракциях тканей высшего растения, но в значительно меньших количествах, чем в клеточном соке клубеньковой ткани. По-видимому, роль бактерий Rhirobium в фиксации азота заключается в выделении специфического вещества (фактора В), индуцирующего образование клубеньковой ткани. Но фиксация азота осуществима лишь в том случае, если клубеньковая ткань снабжается некоторым специфическим веществом (фактором А), синтезируемым на свету в листьях бобовых растений (помимо углеводов, необходимых для поддержания жизнедеятельности гетеротрофных бактерий Rhizobium). Схема процесса изображена на  24. Первым продуктом фиксации является NH3, который быстро трансформируется в амидную группу аспарагина (Турчин, 1959).

Накопление связанного азота свободноживущими азотфикса- торами невелико: оно определяется наличием в почве энергетического материала. По данным И. В. Тюрина (1956), за счет свободно- живущих азотфиксаторов почвы могут обогащаться связанным азотом в количестве 5—10 кг!га в год  .

Значительно большая роль бобовых растений в обогащении почвы азотом: по данным Д. Н. Прянишникова, накопление клевером связанного азота при достаточно высоких урожаях (~50—60 ц/га сена) достигает 150 кг/га, а люцерны при урожаях ~100 ц/га сена — 300 кг/га в год. Из этих количеств фиксированного азота непосредственно в почву поступает в виде отмирающих корней и послеукос- ных остатков: при культуре клевера около половины, т. е. 75—80 кг, я при культуре люцерны — около 1/3, т. е. 100 кг и больше (остальная часть азота удаляется с поля с урожаем сена или зеленого корма). Известное значение в обогащении почв связанным азотом могут иметь и однолетние бобовые, выращиваемые на зерно или сено (подробнее об этом см. стр. 323).

Поскольку основная часть почвенного азота входит в состав гумуса, существует определенное соотношение между содержанием гумуса и азота в почве. В большинстве почв азот составляет 1/2о—V12 часть от гумуса. Вместо отношения гумуса и азота чаще пользуются отношением углерода к азоту (содержание углерода в гумусе в среднем принимается равным 58%). В  35 приводятся данные средних величин запаса азота и отношений С : N в ряде почв СССР.

Как видно, почвы резко отличаются по запасу азота в слое 0—20 см и еще больше — в слое 0—100 см. Черноземы обладают огромными запасами азота, тогда как в подзолистых почвах и сероземах эти запасы сравнительно невелики и быстро снижаются с глубиной. Так, в пахотных дерново-подзолистых почвах в слое О—20 см содержится 32 ц/га азота, а в нижнем слое 20—100 см (в четыре раза более мощном) почти столько же: 34 ц/га. В то же время у мощного чернозема в слое 0—20 см содержится 113 ц/га, а в слое 20—100 см—245 ц/га.

 С увеличением глубины количество гумуса в почвах снижается и на какой-то глубине, характерной для каждого почвенного типа, доходит до нуля (материнская порода гумуса не содержит). Содержание азота также уменьшается с глубиной, но уменьшение это более медленное, и поэтому отношение С : N с глубиной обычно уменьшается, доходя иногда до очень малых величин. Э. Рассел (1955) указывает, что уменьшение отношения С : N с глубиной в некоторых условиях может доходить до 4. Аналогичные данные для серых лесных почв приводит Т. П. Славнина (1949). Исследованиями последних лет выяснено, что в нижних горизонтах значительная часть азота представлена NH4, необменно поглощенным глинными минералами. Высказано предположение, что этот NH4 поступал с атмосферными осадками и поглощался породами еще до образования почв; происхождение его, таким образом, не связано с биологическими процессами (Стивенсон, Stevenson, 1958, 1939).

Растениям необходимы для питания минеральные формы азота. Потребителями минеральных соединений азота являются также микроорганизмы. Чем больше в почве безазотистых органических соединений (целлюлозы, гемицеллюлозы и др.), тем больше в ней развиваются группы микробов, разлагающих эти вещества и нуждающихся в минеральном азоте для своей жизнедеятельности. Чем шире соотношение между С и N в почве, чем меньше азота в почвенном гумусе, тем менее относительно доступен растениям почвенный азот  .

Выше мы отмечали влияние сельскохозяйственной деятельности на содержание гумуса в почвах. С изменением содержания гумуса происходит изменение и в содержании азота.

Введение в культуру целинных почв, усиливая разложение органических веществ под влиянием повышенной аэрации, приводит к убыли в содержании азота   (см.  26, 27, 31). Обеднению почв азотом способствует также отчуждение с поля урожая, с которым уносится содержащийся в растениях азот. Увеличение количества гумуса в почвах под влиянием внесения органических и минеральных удобрений, культуры растений, оставляющих много органических остатков и т. д., влечет за собой и увеличение количества азота в этих почвах. Особенно большое значение для обогащения почвы азотом имеет культура бобовых.

Изменения в содержании.азота, происшедшие в условиях длительного опыта ТСХА за 43 года, видны из данных  36, не требующих особых пояснений.

Повышению степени окультуренности почв соответствует и обогащение их азотом (см.  23, 28).

Общее содержание азота в почвах является существенным фактором почвенного плодородия, но наряду с ним важное значение- имеет характер мобилизации азотного фонда почвы, возможности его использования растениями. Эти вопросы будут рассмотрены ниже в разделе «Доступность питательных веществ почвы для растений».