ХИМИЯ ПОЧВЫ

Пути пополнения запасов азота в почве. Потери азота. Минеральные азотные удобрения

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) 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  .

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 с применением изотопа N15, обнаружили значительные потери почвенного азота в атмосферу, ранее не учитывавшиеся.

При внесении азотных удобрений в почву часть азота улетучивается в виде газов NH3, N02, N2.

Потери NH3 при внесении аммиачных удобрений, вполне естественные в случае щелочных почв, как оказалось, происходят и из почв с нейтральной и слабокислой реакцией (Макаров и Игнатова, 1964; Плиссис и др. Plessis a. al., 1964). При рН солевой вытяжки 5,0 потери незначительны, но при рН — 6,0 становятся уже заметными.

Увеличение влажности и повышение температуры способствуют улетучиванию аммиака  .

Потери азота в виде N2 и N02 связаны с денитрификацией, в процессе которой происходит биологическое восстановление нитратов (в конечном счете до N2) микробами, использующими нитраты в качестве источника 02. Денитрификация связана с анаэробными условиями, но широкое ее распространение заставляет предполагать, что и в почвах, достаточно аэрируемых, существуют очаги с анаэробными условиями, где нитраты восстанавливаются. Возможна и химическая реакция между NH3 и HN02, в результате которой освобождаются окислы азота.

Поданным 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  .

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.  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.  14 на стр. 82—83). В то же время на целинных черноземных почвах под 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 ( 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.

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  , относительно низка и значительно возрастает при внесении азотных удобрений ().

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 ( 131).

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

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.

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, I960). 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 и 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 возбудителей нитрификации. Конечно, все эти условия широко варьируют в ряду от подзола с рН солевой вытяжки ниже 4 до дерново-слабоподзолистой почвы со слабокислой реакцией (рН — 6). После сведения леса и распашки процесс нитрификации постепенно нарастает, происходит накопление нитратов, хотя далеко не такое значительное, как на 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 оподзолен- ности, а также от окультуренности почвы ().

Песчаная дерново-среднеподзолистая почва Соликамской опытной станции с содержанием гумуса в пределах 1—2% в течение парового периода накопляет чрезвычайно малые количества нитратов ( 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 ().

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 ( 135); под травами они совсем исчезают.

Малое количество нитратов на всех полях приводит к необеспеченности растений азотом, что характерно для всех подзолистых и дерново-подзолистых почв. Исключение составляют лишь высо- коокультуренные 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 удобрений (навоза, торфа, компостов), культура бобовых на сено и зерно, запашка зеленой массы бобовых й качестве сидерального удобрения);

2)        известкованием, ведущим к нейтрализации почвенной кислотности, в результате чего повышаются урожаи бобовых и улучшаются условия для жизнедеятельности микроорганизмов — нитрификато- ров и азотфиксаторов ( 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 NaN03, отличаются физиологической щелочностью, т. е. в результате их использования растениями реакция среды смещается в щелочную сторону. Аммиачные соли, такие, как (NH4)2S04, напротив, являются физиологически кислыми; при питании ими растений среда подкисляется. К физиологически кислым солям относится и NH4N03 — 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 ( 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 микробиологические 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 ().

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

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%. С переходом в нижележащий горизонт содержание гумуса резко падает. 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 рН. 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 ( 139).

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.

Большие потребности в азоте растений, возделываемых на красноземах \ 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 ( 141).

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

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