Что такое нитрификация почвы

Из трех макроэлементов NPK, азот самый интересный и его оптимизация в минеральном питании имеет первостепенное значение для культур.

АгроСайт постарается понятно объяснить вам сложный процесс нитрификации с практической точки зрения.

Это самый ценный опыт, которым мы хотим с вами поделиться и надеемся, что вы найдете ответы на многие вопросы в агрономии если проникнитесь предложенной информацией…

Нитрификация – превращение аммиачного азота в нитратный.

Разберем для начала формулу на картинке, которая полностью отражает процесс нитрификации со всех сторон:

Чтобы вам лучше понять, о чем пойдет речь, прочитайте о формах азота в статье АЗОТНЫЕ УДОБРЕНИЯ >>

1. Первый элемент C:N это органическое вещество почвы или гумус, которое под воздействием микроорганизмов превращается в аммиачную форму азота. Процесс называется Аммонификация и может протекать как при наличии кислорода так и без него. Чем больше в почве органического вещества, тем больше аммиачного азота высвобождается. Данная форма азота нестабильна и является промежуточной. Часть аммиачного азота присоединяется к ППК почвы, часть поступает напрямую для питания растений, а остальная при наличии кислорода вовлекается в процесс нитрификации. Именно поэтому данная форма азота не является диагностической, но анализировать содержание аммонийной формы необходимо.

2. Вторя часть формулы это превращение аммиачной формы (NH₄) азота в нитритную. Процесс протекает только при наличии кислорода (O₂) за счет микроорганизмов. Содержание нитритов в почве анализировать не требуется, так как они немедленно окисляются до нитратов.

3. Третья часть это превращение нитритной формы (NO₂) в нитратную (NO₃). Процесс также протекает только при наличии кислорода (O₂) и за счет микроорганизмов. Содержание нитратов в почве для большинства зон земледелия является диагностическим и важным в планировании азотных удобрений.

Основной тезис — Для оптимального процесса нитрификации нужны микроорганизмы. Микроорганизмы живут и активно работают только при наличии всех факторов: влаги, тепла, органического вещества и достаточного количества кислорода (т.е. аэрации).

Температура.

При температуре почвы от 10 до 30 градусов скорость нитрификации резко возрастает. Поэтому ранний посев в непрогретую почву без стартовой дозы азота в нитратной форме проигрывает поздним срокам сева культур, которые попадают в более комфортные условия по содержанию нитратного азота. А весенняя подкормка азотом озимых культур в свою очередь дает хорошие результаты по тем же самым причинам.

Повышение температуры почвы выше 35 градусов резко снижает процесс нитрификации, поскольку бактерии не могут выносить высокие температуры.

Влага.

Недостаток влаги негативно сказывается на процессе нитрификации. Микроорганизмы как и все живое не могут без воды. Именно поэтому не рекомендуют производить зяблевую обработку по сухой почве. Но помните как только осадки снабдят почву влагой процесс возобновится, поэтому подумайте выворачивать «чемоданы» или нет. Чем раньше сделана зябь тем больше накопится нитратного азота к будущему сезону. Подробнее о зяби в статье ВСПАШКА ЗЯБИ .

Органика.

Содержание гумуса в значительной степени влияет на накопление нитратного азота. Но к сожалению оно закономерно растет с юга (степная зона) 3-4% на север (лесостепная зона) 6-7%. Так же как снижается сумма эффективных температур. Соответственно идеальные условия для накопления нитратов в почве расположены в южной лесостепной зоне с содержанием гумуса 5-6%. Данные по Западной Сибири.

Воздух.

И самое главное это наличие кислорода или хорошая аэрация корнеобитаемого слоя почвы. Чем глубже проводятся обработки почвы, тем лучше снабжение микроорганизмов кислородом в гумусовом горизонте. Нитрификация без кислорода невозможна. При этом вспашка с оборотом пласта нежелательна, так как основная масса микроорганизмов находится ближе к поверхности и после оборота большая часть бактерий распределяется в более глубокий горизонт. Глубокое рыхление без оборота предпочтительнее.

ВОПРОСЫ.

Сколько нитратного азота накапливается за сезон?

Для условий Западной Сибири от 40 до 80 кг/га, в зависимости от наличия всех факторов обеспечивающих нитрификацию. В Европейской части показатели выше на 30-40%.

Какую урожайность можно получить?

Ответим на примере яровой пшеницы по южной лесостепной зоне Западной Сибири. Расчеты учитывают только почвенное плодородие, без поступления азота за счет удобрений.

По парам.

Содержание нитратного азота перед посевом 96 кг/га обеспечит 17 ц/га
Накопление за счет нитрификации 80 кг/га обеспечит 15 ц/га
Общая урожайность составит 32 ц/га.
Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 40 ц/га.

По зяби (глубокая обработка)

Содержание нитратного азота перед посевом 58 кг/га обеспечит 10 ц/га
Накопление за счет нитрификации 80 кг/га обеспечит 15 ц/га
Общая урожайность составит 25 ц/га.
Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 31 ц/га.

По стерневому фону и по ноу-тилл

Ввиду слабого снабжения корнеобитаемого слоя кислородом скорость процесса нитрификации сильно снижается.

Содержание нитратного азота перед посевом 34 кг/га обеспечит 6 ц/га
Накопление за счет нитрификации 50 кг/га обеспечит 9 ц/га
Общая урожайность составит 15 ц/га.
Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 19 ц/га.

Примечания:

Урожайность сортов фуражного направления с низким содержанием белка обеспечат более высокую урожайность.
По группам спелости также будут различия в урожайности. Чем длиннее вегетация, тем больше нитратного азота накопится для потребления культурой.
Азотные подкормки по вегетации затягивают вегетацию культур, что также косвенно повлияет на потребление нитратного азота из почвы, несмотря на малые количества вносимых д.в. азота по листу.
Реальные потери урожайности без защиты растений составят 40% от общей урожайности по предшественникам. Урожайность составит 23 ц/га, 18 ц/га и 11 ц/га соответственно.

Выводы:

1. Контроль показателей содержания азота необходимо проводить ежегодно и в зависимости от агрохимических показателей планировать внесение азотных удобрений, порядок проведения посева и обработки зяби по полям.

2. При одинаковых затратах на защиту растений вы получаете прибавки урожайности 4 ц/га по стерне, 6 ц/га по ранней зяби с глубокой обработкой в 8 ц/га по пару. Задумайтесь об экономической эффективности.

3. Не забывайте о содержании фосфора. Подробнее в статье СОДЕРЖАНИЕ ФОСФОРА В ПОЧВЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ . Без него нитрификация бессмысленна . И обязательно проанализируйте содержание калия.

4. Если вы четко оптимизируете минеральное питание и проводите качественную защиту СХЗР, культура намного экономнее расходует влагу. Не верите? Тогда читайте как снизить коэффициент водопотребления в статье РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЛАГИ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ .

на рассылку АгроСайт-новости и получайте новые статьи на почту.

Источник

НИТРИФИКАЦИЯ

— это следующий за аммонификацией процесс возвращения соединений азота в круговорот, так как в ходе нитрификации образуются доступные для растений и водорослей соединения азота, что имеет огромное значение для почв и водоёмов.

НИТРИФИКАЦИЯ – процесс окислительный – последовательное окисления аммиака до АЗОТИСТОЙ и АЗОТНОЙ КИСЛОТ.

Процесс нитрификации был изучен русским ученым С.Н. Виноградским.

Нитрифицирующие бактерии – автотрофные микроорганизмы: клеточный материал образуют из CO₂; получают энергию(АТФ) за счёт окисления неорганических соединений азота с помощью ферментов-цитохромов, находящихся в дыхательной цепи.

Процесс нитрификации включает ДВЕ ФАЗЫ.

1 фаза – НИТРИТНАЯ – окисление АММИАКАдо АЗОТИСТОЙ КИСЛОТЫ:

В первой фазе нитрификация идёт с участием НИТРОЗНЫХ БАКТЕРИЙ:

1. Бактерии рода Nitrosomonas – грамотрицательные бесспоровые подвижные (монотрихи) палочки. Хемолитотрофы — синтезируют органическое вещество своей клетки из минеральных соединений за счет энергии окисления аммония до нитритов. Широко распространены в почве.

2 фаза – НИТРАТНАЯ – окисление АЗОТИСТОЙ КИСЛОТЫ до АЗОТНОЙ:

Во второй фазе нитрификации участвуют НИТРАТНЫЕ БАКТЕРИИрода Nitrobacter – грамотрицательная мелкая полиморфная неподвижная палочка, которая может иметь удлинённую, клиновидную или грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в клювик.

Для нитрифицирующих бактерий характерно почкование – почка образуется на более тонком конце клетки, когда достигает величины материнской клетки, у неё появляется жгутик и почка отделяется. Проплавав некоторое время, она теряет жгутик, оседает на твердый субстрат и цикл повторяется.

Развитие нитратных бактерий происходит при pH среды от 8,3 до 9,3.

В результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий на 1 га почвы может накапливаться за год до 300 кг азотной кислоты, что имеет значение для плодородия почв.

На процесс нитрификации положительно сказывается наличие кислорода. В обрабатываемых почвах нитрификация протекает более интенсивно. Интенсивно проходит нитрификация на чернозёмных почвах, особенно когда в них достаточное количество аммонифицирующих микробов, готовящих среду (пищу) для нитрификаторов. Солончаки обладают меньшей нитрифицирующей активностью. В почвах пустынно-степной зоны нитрификация угнетается в основном из-за отсутствия влаги.

Источник

Азот в почве: аммонификация, нитрификация, денитрификация

Азот в почве и какие процессы влияют на него.

Сегодня мы рассмотрим почвенные процессы, минерализацию органических веществ и основной процесс образования нитратного азота – нитрификацию,
расскажем про разницу аммонийной формы азота и нитратной.

Минерализация органических веществ
В почве мы имеем микроорганизмы – любые живые существа, которым необходима влага, тепло, и кислород. Если исключить хотя бы один фактор, то процессы нарушатся. Одним из таких является гумус.

В первую очередь в органических веществах происходит процесс аммонификации, благодаря которой получается аммонийная (аммиачная) форма азота. Её образование протекает как при помощи О2, так и без него. Оптимальной температурой для микроорганизмов является диапазон от 10 до 30 градусов тепла.

Аммонийная форма
Аммонийная форма – это катион, который поглощается ППК (почвенно-поглощающий комплекс). Доступна она растениям? Да. Токсична? В больших количествах – да. Стоит ли её опасаться? Нет, природа все предусмотрела.
Пока растение растет, развивает свою корневую систему, аммонийная форма по сути переходит в процесс нитрификации.

Нитрификация
В отличии от аммонификации процесс нитрификации происходит только при наличии О2. Почему только так – рассмотрим далее. У нас образовалась N-ное количество NO2+H2O. Нитриты – нестабильная, переходная форма азота, которая при наличии кислорода очень быстро переходит в нитратную форму NO3, являющейся анионом.
Анионы, как известно, спокойно располагаются в почвенном растворе и не связываются с ППК.

Денитрификация
Нитраты могут промыться ниже корня обитаемого слоя, и если убрать кислород, а в почве будет наличие нитратов, то включаются уже денитрификаторы. Это грозит тем, что нитраты превратятся в закись азота, газообразные формы, которые улетучиваются в атмосферу.

Разница между аммонификацией и нитрификацией
Нитратная форма –легкодоступная форма азота, которая живет в почве и спокойно реагирует на изменение концентрации, для нее важны лишь влага и тепло. А аммонийная форма требует кислород. В этом и вся разница.

Когда происходит максимальная потребность у растений в азотном питании?
Советские источники утверждают, что потребность в азотном питании начинает возрастать с 22 фазы по 29, после которой идет пик потребности аж до самого цветения. Но не забываем про нюансы: необходимо учитывать, какая это пшеница: яровая или озимая.
Ведь к примеру у озимой пшеницы потребность питания начинает возрастать, а почва еще не прогрелась до +10’C. У яровой немного иначе: на начальной фазе влага есть, а нитратного азота так много еще не нужно.

Подводя итоги, хотим сказать, что нитрификация является важным процессом, потому что это легкодоступная форма азота. Каждое поле обладает индивидуальной нитрификационной способностью – потенциалом с возможностью корректировки, который можно использовать в формуле расчета из предыдущей статьи.

Источник

Нитрификация

Нитрификация представляет собой двухступенчатое преобразование аммония (NH4+) в нитрат (NO3-) почвенными бактериями. В большинстве почв это довольно быстрый процесс, обычно происходящий в течение нескольких дней или недель после внесения источника аммония.

Аммоний в почве поступает из различных источников, включая отходы животноводства, компосты, разлагающиеся остатки сельскохозяйственных культур, разлагающиеся покровные культуры или удобрения, содержащие мочевину или аммоний. Независимо от источника, почвенные бактерии преобразуют его в нитрат, если условия для этого будут благоприятными.

Аммоний первоначально окисляется до нитрита различными «хемоавтрофными» бактериями. Эти бактерии получают энергию от превращения аммония в нитрит, используя CO2 в качестве источника углерода. Хотя существует множество почвенных микроорганизмов, окисляющих аммоний, наибольшее внимание уделяется бактериям из рода Nitrosomonas (Нитрозомонас).

Вторым этапом процесса нитрификации является превращение нитрита в нитрат бактериями рода Nitrobacter (Нитробактер).

Эта группа почвенных бактерий получает свою энергию в процессе окисления нитритов. Другие почвенные бактерии также могут участвовать в этих преобразованиях, но их вклад, как правило, менее важен. Нитрит может быть токсичен для растений, поэтому важно, чтобы нитрит полностью превращался в нитрат.

Нитраты, как правило, являются доминирующей формой доступного для растений азота (N) в почвах, и для сохранения его в корневой зоне растущего растения необходимо тщательное управление. Большинство сельскохозяйственных растений приспособлены к использованию нитратов в качестве основного источника азота. Некоторыми заметными исключениями из этого правила являются такие культуры, как рис и черника.

Нитраты, которые не используются для питания растений, подвержены вымыванию, стокам или денитрификации, поэтому важно понимать процесс нитрификации в почве.

Нитрификация: как быстро❓

Существует ряд факторов окружающей среды почвы, взаимодействие которых влияет на скорость превращения аммония в нитрат. Основными факторами являются температура почвы, pH, содержание воды и наличие кислорода. Другие факторы, которые могут повлиять на процесс, включают засоленность почвы, текстуру и источник азота.

Нитрифицирующие почву бактерии обычно более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем многие другие почвенные бактерии. Их скорость роста медленнее, а активность ниже, чем у большинства других распространенных бактерий. По оценкам, общее количество нитрифицирующих бактерий составляет менее 0,01 % от общей популяции почвенных бактерий.

Скорость нитрификации в почве измеряется путем анализа появления нитратов через определенный промежуток времени. Однако одновременно происходит множество сложных реакций с участием азота. Например, в пределах одной полной лопаты могут одновременно происходить нитрификация, денитрификация, испарение аммиака, минерализация и иммобилизация. То, что измеряется после производства и потребления нитратов, интерпретируется как “чистая нитрификация”.

Как и почти все биологические реакции, на нитрификацию сильно влияет температура почвы. Сообщается, что оптимальная температура для нитрификации находится в диапазоне от 15,5 °С до 38 ° в зависимости от конкретных условий. В целом, когда температура почвы превышает 24 °С, нитрификация больше не ограничивается.

Низкие температуры почвы замедляют нитрификацию, причем процесс в значительной степени прекращается при температуре почвы ниже 5 °С. Почвы в основных сельскохозяйственных регионах Калифорнии редко опускаются ниже этой предельной температуры, поэтому можно предположить, что некоторое количество нитратов образуется в любое время, когда присутствует источник аммония.

На Среднем Западе США удобрения на основе аммония обычно вносят в холодные почвы осенью и зимой после того, как температура почвы постоянно опустится ниже 10 °С. Предполагается, что в холодные зимние месяцы нитрификация будет незначительной или вообще не будет происходить. Эта практика не рекомендуется для условий Калифорнии, потому что почвы редко бывают достаточно холодными, чтобы в значительной степени препятствовать нитрификации.

Большая часть нитрификации происходит в пределах нескольких сантиметров верхнего слоя почвы. Температура почвы на такой небольшой глубине обычно выше днем и прохладнее ночью, чем на глубине 6 дюймов (15 см). Растительный покров, влажность поверхности почвы и облачность также могут влиять на суточные колебания температуры почвы.

Фермеры, полагающиеся на минерализацию и нитрификацию органических компостов и навоза для обеспечения растений доступными нитратами, могут иногда сталкиваться с временной нехваткой питательных веществ в течение длительных холодных периодов.

Нитрифицирующие бактерии чувствительны к изменениям содержания влаги в почве, поскольку это влияет на численность и активность бактерий. Это также влияет на равновесие между растворимым и обменным аммонием, на концентрацию солей в воде и на содержание кислорода.

Сразу после дождя или полива, поры почвы могут заполниться водой, и подача кислорода может быть временно ограничена. В этих условиях скорость нитрификации снижается, поскольку для этого процесса необходимо присутствие кислорода. Если почва остается насыщенной более нескольких дней и сохраняются условия с низким содержанием кислорода, любой присутствующий нитрат может подвергаться риску потери из-за денитрификации в виде закиси азота или газообразного диазота (динитрогена). Из-за отсутствия кислорода в затопленных почвах нитрификация не является важной частью цикла азота в этих системах (за исключением насыщенных кислородом микроплощадей, таких как окружающие корни растений).

Подсчитано, что нитрификация становится ограниченной, когда поровое пространство, заполненное водой, превышает 60%. Однако по мере того, как вода стекает и кислород снова попадает в почву, нитрификация быстро возобновляется, поскольку популяция бактерий восстанавливается.

Скорость нитрификации также ограничена нехваткой воды. По мере высыхания почвы в результате испарения или осушения, растворенные соли в почвенном растворе становятся все более концентрированными. В результате солевой стресс увеличивает затраты энергии на поддержание нитрифицирующих бактерий и замедляет их активность. Водные плёнки на поверхности почвы становятся тоньше по мере высыхания почвы, замедляя перемещение растворенных веществ в почве. Сухие почвы также вызывают обезвоживание клеток, что подавляет всю активность микробов.

В засушливых условиях всплеск микробной активности (включая нитрификацию) обычно наблюдается, когда почва повторно увлажняется в результате орошения или дождя после продолжительного засушливого периода. Однако даже в засушливые периоды нитрификация все еще может происходить, хотя и с меньшей скоростью.

Свойства почвы и её обработка🚜

Наибольшее количество нитрифицирующих бактерий встречается у поверхности почвы, хотя меньшее их количество иногда можно найти на глубине многих футов. Число и активность нитрифицирующих бактерий обычно выше в почвах с более высоким содержанием глины и органических веществ. Почвы с высоким содержанием глины обладают большей катионообменной способностью удерживать аммоний, частицы глины обеспечивают большую благоприятную площадь поверхности и большее пространство микропор почвы, что благоприятно для прикрепления и роста бактерий.

Практика обработки почвы влияет на содержание органических веществ в почве, агрегацию почвы и микробную экологию. Общие тенденции указывают на то, что активность нитрификации выше при нулевой и рпониженной обработке почвы по сравнению с традиционными методами обработки почвы. Это может быть вызвано изменениями физических свойств почвы и улучшенными водными отношениями, связанными с сокращением практики обработки почвы.

Нитрификация происходит в широком диапазоне pH в почве, хотя, по оценкам, оптимальный pH составляет от 6,5 до 8.8. Скорость нитрификации ниже в кислых почвах, а добавление известняка для снижения кислотности почвы часто приводит к более быстрой нитрификации. В условиях высокого pH (> 8) активность нитробактерий (Nitrobacter) может быть снижена. Это условие позволяет преобразовать аммоний в нитрит, но не является второй стадией преобразования нитрита в нитрат. Это потенциально может привести к нежелательному накоплению нитритов в почве.

Наличие источника аммония и удобрений🔆

Без аммония, присутствующего в почве, нитрификация невозможна. Аммоний обычно не накапливается до высоких концентраций в течение вегетационного периода, поскольку нитрификация обычно происходит быстро. Однако из-за характера внесения удобрений и склонности аммония оставаться вблизи места внесения могут возникать локализованные высокие концентрации аммония.

Повышенные концентрации аммония — обычное явление после внесения свежих органических материалов или многих азотных удобрений. Были выявлены различия в скорости нитрификации между различными удобрениями и компостами (в зависимости от норм внесения, концентрации аммония, соотношения C:N и т.д.). Но они обычно не важны в полевых условиях.

Очень высокие концентрации аммиака (например, окружающие концентрированную полосу безводного аммиака) могут временно ингибировать (препятствовать) нитрификацию. Это связано с токсичным воздействием газообразного аммиака на почвенные бактерии и повышенным pH, который временно окружает концентрированные полосы аммиака.

Для обычных азотных удобрений источник аммония может влиять на скорость нитрификации. В лаборатории можно измерить различия в скорости нитрификации между различными источниками азотных удобрений. Например, в одном исследовании сообщалось, что скорость нитрификации снижалась в следующем порядке: мочевина> диаммонийфосфат> сульфат аммония> нитрат аммония> моноаммонийфосфат. Эти различия частично объясняются повышением кислотности (например, pH раствора диаммонийфосфата составляет приблизительно 8,0, а моноаммонийфосфат — pH 3,5). В большинстве полевых условий эти различия несущественны для питания растений.

Исследование, проведенное на различных почвах Калифорнии, показало, что показатели нитрификации в целом следовали тенденции: гидроксид аммония (водный аммиак)> сульфат аммония> нитрат аммония, но тенденция не была одинаковой для всех протестированных почв.

Высокие концентрации соли повышают осмотический потенциал почвенного раствора. По мере увеличения осолоненности скорость нитрификации падает. Повышенные концентрации соли увеличивают энергию, необходимую микроорганизмам и корням растений для поддержания целостности их клеток и перемещения воды через их мембраны.

Негативное влияние осолоненности на нитрификацию, которое может возникнуть после внесения концентрированной полосы удобрений, носит временный характер. Соли удобрений могут ухудшить нитрификацию, особенно если они вносятся узкой полосой.

Нитрификация создает кислотность🧪

Первый этап нитрификации приводит к высвобождению ионов H+, повышающих кислотность почвы. Степень подкисления зависит от способности почвы сопротивляться изменениям (буферная способность) и количества внесенного аммония. Этот естественный процесс подкисления происходит со всеми источниками аммония, будь то навоз, органические источники азота или неорганические азотные удобрения.

Одно исследование, проведенное на крупнозернистой (плохо забуференной) почве, показало значительное снижение pH при внесении аммонийсодержащих удобрений через систему капельного орошения для миндаля. Повторное внесение аммония в небольшой объем почвы сконцентрирует эффект производства кислоты вблизи зоны, где корни могут быть многочисленными.

Потери оксида азота при нитрификации💭

На первом этапе нитрификации небольшая часть аммония может быть преобразована в газообразную закись азота (N2O) во время разложения нитрита. Этот процесс важен, поскольку закись азота является мощным парниковым газом, и прилагаются усилия для уменьшения его выброса. Абсолютное количество удобрений, теряемых в виде закиси азота при нитрификации в аэробных почвах, относительно невелико, но экологически важно.

Нитраты подвержены потерям при выщелачивании (вымывании) и выбросам газов из-за денитрификации. Бывают случаи, когда желательно поддерживать азот в форме аммония, чтобы минимизировать эти потери. Многие химические вещества были протестированы на избирательное ингибирование нитрификации. Только два ингибитора нитрификации в настоящее время одобрены для использования в Калифорнии; DCD (дициандиамид) и нитрапирин. Экономическая отдача, степень подавления и потенциальные выгоды, связанные с их использованием, сильно различаются.

Понимание процесса нитрификации играет ключевую роль в управлении нитратами в почве. Условия окружающей среды и решения, принятые в сельском хозяйстве, влияют на поведение нитратов в почве. Внимание к температуре почвы, влажности и свойствам почвы поможет поддерживать необходимое количество нитратов. Тщательное обращение с источниками питательных веществ, содержащих аммоний, может помочь достичь желаемого уровня питательных веществ для сельскохозяйственных культур и свести к минимуму потери нитратов.

Источник