Что происходит с азотом в почве?
Эффективное растениеводство требует адекватной поставки всех необходимых питательных веществ для растений. Однако использование коммерческих азотных (N) удобрений для увеличения производства, поддержания прибыли и обеспечения дешевыми продуктами питания и клетчаткой является необходимостью современного сельского хозяйства. В целом, для сельскохозяйственных культур необходим азот в наибольшем количестве всех питательных веществ для растений.
Воздействие азотных удобрений на окружающую среду является долговременной проблемой. Обеспокоенность по поводу загрязнения азотом рек, озер и подземных вод заставляет сельхозпроизводителей все больше осознавать свой потенциальный вклад в общую проблему загрязнения.
Чтобы эффективно использовать азот и ограничить его неблагоприятное воздействие на окружающую среду, производителям необходимо развивать понимание химического состава азота, а также того, как его добавлять и удалять из почвы.
Коммерческие удобрения, используемые сельскохозяйственными производителями, являются значительным источником добавления азота в почву. Азот непрерывно перерабатывается через отходы растений и животных и органическое вещество почвы. Азот удаляется из почвы путем посева, потери газа, стока, эрозии и выщелачивания. Величина и механизм, ответственный за потери азота, зависят от химических и физических свойств данной почвы. Рисунок 1 представляет собой схематическое представление возможных прибылей и потерь азота почвы.
Химия азота
Азот составляет 79 процентов воздуха, которым мы дышим. Поверхность 6 дюймов плодородной почвы прерий может содержать от 2 до 3 тонн азота на акр. Воздух над этим же акром будет содержать около 35 000 тонн инертного газообразного азота (N2). Большая часть азота, содержащегося в почве, происходит в виде газа N2, и почти весь азот в атмосфере — это газ N2. Этот инертный азот не может быть использован растением до тех пор, пока он не изменится на аммонийную (NH4 +) или нитратную (NO3 -).
Три важных метода замены газообразного азота (N2) на аммоний (NH4 +):
- Свободноживущие N2-фиксирующие бактерии
- N2-фиксирующие бактерии в клубеньках на корнях бобовых растений, и
- Заводы по производству азотных удобрений.
Другим важным методом преобразования N2 является молния. Когда молния мигает, газообразный азот в перегретом воздухе превращается в нитрат (NO3 -) и нитрит (NO2 -). Молния может составлять от 1 до 50 фунтов доступного для растений азота на акр в год.
Хотя азот попадает в почву в нескольких химических формах, он в конечном итоге превращается в неорганический нитрат-ион (NO3 -). На рисунке 1 показано, что NO3 — может использоваться растениями, превращаться обратно в газообразный азот или вымываться вниз в почвенную воду.
Коммерческие удобрения, растительные остатки, навоз и сточные воды являются наиболее распространенными источниками добавления азота в почву. Нормы применения сильно различаются. Однократные нормы внесения могут составлять до 150 фунтов азотного эквивалента на акр для таких культур, как прибрежные бермуды. Однако такие высокие нормы внесения должны быть ограничены почвами с низким потенциалом эрозии и стока.
Азот в органических материалах (растительные остатки, навоз животных, сточные воды, органическое вещество почвы) присутствует в составе белков, аминокислот и других растительных и микробных материалов. Он становится доступным для растений только после разложения соединения почвенными микроорганизмами. Это называется «минерализация» (рис. 2). Первым этапом минерализации является «аммонификация». Аммоний (NH4 +), полученный в результате аммонификации, затем превращается в нитратный азот (NO3 — -N) путем «нитрификации» бактерий в почве с помощью процесса, называемого «нитрификация».
Места реакций аммонификации и нитрификации в азотном цикле показаны на рисунке 1. Положительно заряженный ион аммония (NH4 +), полученный аммонификацией или добавленный в почву в удобрениях, притягивается к отрицательно заряженным глинистым частицам в почве. Однако в большинстве не засушливых почв ион NH4 + быстро превращается в нитратный азот (NO3-N). Растущие растения поглощают большую часть своего азота в форме нитрата (NO3-).
Обычные источники неорганического азота включают аммиак (NH3), аммоний (NH4 +), амин (NH2 +) и нитрат (NO3 -). Большинство удобрений содержат или образуют NH4 +, который быстро превращается в NO3 — один раз в почве.
Удаление азота из почвы
Азот удаляется из почвы четырьмя основными процессами:
- Поглощение растений
- Газообразная потеря
- Сток и эрозия
- Выщелачивание
Поглощение растений относится к поглощению азота корнями. Хлопок, кукуруза, помидоры и газонные травы требуют от 60 до 300 фунтов азота на акр, чтобы обеспечить хороший рост и прибыльный урожай или желаемую эстетику. Фактические требования к данной культуре варьируются в зависимости от производственного потенциала и сильно зависят от климатических факторов.
Поскольку большинство почв с низким содержанием доступного для растений азота, потребности в азоте часто поставляются в качестве коммерческого азотного удобрения. Потребность в азоте свыше 150 фунтов на акр обычно делится на два или более применений. Однако только растительный азот в собранной культуре фактически покидает поле. Остальная часть растительного азота возвращается в почву в виде растительных остатков и возвращается в цикл в виде органического азота, как показано на рисунке 1.
Газообразная потеря азота происходит в результате денитрификации или испарения аммиака. Денитрификация — это процесс, посредством которого нитратный азот (NO3-N) превращается в газообразный оксид азота (N2O) или элементарный азот (N2). Это связано с действием анаэробных бактерий (тех, которые не требуют свободного кислорода) и обычно происходит во влажных или заболоченных почвах.
Поскольку это анаэробный процесс, газовые потери от нормальной (аэробной) почвы незначительны. Однако, когда почвы остаются очень влажными или насыщенными в течение длительного времени, большая часть нитрата может быть потеряна.
Газ аммиак может выделяться из соединений азота, таких как мочевина, на поверхности почвы. Мочевина присутствует в навозе животных и может быть приобретена в чистом виде в качестве удобрения (45-0-0).
Было показано, что другие аммонийсодержащие удобрения, в том числе сульфат аммония (21-0-0) и, в меньшей степени, нитрат аммония (33-0-0) и фосфат аммония, дают свободный аммиак в присутствии карбоната кальция., Такое состояние существует в некоторых почвах с высоким рН (рН> 7,3).
Потери стока и эрозии могут включать нитраты (NO3 -), аммоний (NH4 +) и органический азот. Отрицательно заряженный ион NO3 — остается в почвенной воде и не удерживается частицами почвы. Если вода, содержащая растворенный NO3 — или NH4 +, стекает с поверхности, эти ионы движутся вместе с ней. Однако, когда азотные удобрения вносятся на сухие почвы и дождевая или поливная вода, первая вода растворяет удобрение и переносит его в почву. Дожди, как правило, не приводят к поверхностным потерям азота удобрения, если только вскоре после внесения не происходит очень интенсивных осадков
Аммоний, удерживаемый глинистыми частицами, может переноситься в поверхностные водоемы путем эрозии почвы. Фактически, эрозия почвы перемещает больше азота, чем ливень в перемещении растворенных соединений азота. Когда эрозионные почвы откладываются в реках и озерах, микробная активность будет медленно превращать соединения азота в растворимые формы.
Потери на выщелачивание связаны с движением воды вниз через почву ниже корневой зоны. Эта потеря чаще всего происходит с нитратами (NO3 -) в районах с большим количеством осадков, при чрезмерном орошении и с грубо-текстурированными (песчаными) почвами. Потери азота в результате выщелачивания уменьшают количество азота, доступного для сельскохозяйственных культур, и могут потенциально загрязнять мелководные скважины и водоносные горизонты.
Нормы используемого азота и время внесения должны быть связаны с условиями почвы и требованиями урожая, чтобы минимизировать потери от вымывания. Многочисленные исследования показывают, что из-за поглощения растений мало нитратного азота (NO3 — -N) выщелачивается из почв, на которых культура активно растет. Поскольку песчаные почвы, наиболее подверженные выщелачиванию, расположены в Восточном Техасе, где трава является преобладающей культурой, минимальные потери азота на выщелачивание обычно ожидаются от азотных удобрений по всему региону.
Хотя исследования показали ограниченные проблемы с перемещением нитратов (NO3 -), неправильное применение коммерческих и органических азотных удобрений может привести к стоку NO3 в поверхностные воды и выщелачиванию в подземные воды.
Предотвращение потери азота
Лучший способ предотвратить потерю азота с сельскохозяйственных земель — это хорошая практика управления почвой и водой. Первым шагом в снижении потенциальных потерь азота является проверка почвы. Правильно полученный образец почвы обеспечит оценку содержания нитратного азота (NO3 — –N) в почве и может быть использован в качестве руководства для внесения соответствующего количества азотных удобрений для выращиваемой культуры.
Правильное удобрение и контроль поверхностного стока и эрозии предлагают лучшие методы для предотвращения попадания азота в ручьи и озера. Потери на выщелачивание можно предотвратить, разделив потребность в азоте на несколько применений, где часто встречаются грубые текстурированные почвы и обильные осадки.
Источник
Управление азотом в почве
Открытие в начале 20-го века способа синтеза азотных (N) удобрений стало поворотным событием в истории человечества. Способность улавливать относительно инертный газ N2 и преобразовывать его в более реактивную форму аммиака (NH3) в конечном итоге привела к значительному повышению производительности сельского хозяйства. По оценкам, около половины населения земного шара в настоящее время зависит от азотных удобрений, необходимых для обеспечения их продуктами питания. Помимо выращивания сельскохозяйственных культур, азотные удобрения необходимы для поддержания таких видов деятельности, как животноводство, производство биотоплива и выращивание древесины.
Только часть азотных удобрений, внесенных на поля, удаляется с убранными культурами. Оставшийся азот участвует в ряде сложных биологических, химических и физических реакций, прогнозировать и управлять которыми может быть сложно. Этот нераскрытый азот может каскадом проходить через почву, микроорганизмы, растения, пресноводные и океанические экосистемы, продолжая свои реакции. Цель ответственного управления состоит в том, чтобы использовать азотные удобрения как можно эффективнее и свести к минимуму предотвратимые потери из почвенной системы.
Базовое понимание реакций азота в почве обеспечивает прочную основу для принятия разумных решений по рациональному использованию питательных веществ. Эта серия информационных бюллетеней (таблиц), изложенных ниже, охватывает основные преобразования азотных удобрений, которые происходят в растениеводстве. Из-за широкого спектра условий, которые встречаются на фермах, эти руководства содержат только общую информацию, которую необходимо адаптировать к местным условиям с помощью опытных специалистов.
1️⃣Нитрификация. Почвенные бактерии превращают аммоний (NH +) в нитрат (NO3) в течение нескольких дней или недель, когда почвы теплые и влажные. Существует множество источников аммония в почве, таких как компосты, навоз, растительные остатки и коммерческие удобрения. Независимо от источника азота, образующийся нитрат идентичен и подвержен одинаковым почвенным процессам. Большинство сельскохозяйственных и садовых культур используют нитраты в качестве основного источника питания азотом.
2️⃣Денитрификация. Нитраты могут улетучиваться в атмосферу, когда они превращаются в газ в результате реакций почвенного микробиологического восстановления. Денитрификация происходит быстрее всего, когда почвы насыщены водой и содержание кислорода в почве низкое, но процесс продолжается даже во влажных ненасыщенных почвах.
В зависимости от почвенных условий, образующийся газ может быть N2, N2O (закись азота) или NO (окись азота). Эти последние два газа оказывают пагубное воздействие на атмосферу.
3️⃣Превращения мочевины. Мочевина является наиболее часто используемым азотным удобрением в мире. При нанесении в почву, она сначала подвергается расщеплению естественным ферментом (уреазой) на аммоний. Впоследствии аммоний преобразуется в нитрат с помощью нитрифицирующих бактерий. Понимание этих преобразований помогает принимать управленческие решения для наиболее эффективного использования мочевины.
4️⃣Улетучивание аммиака. В щелочной почве аммиак, содержащийся в удобрениях и навозе, химически превращается в газообразный аммиак, который может улетучиваться в атмосферу. Это не только экономическая потеря ценного питательного вещества, но и отрицательное влияние на качество воздуха. Существует ряд практических приемов управления ростом растений, азотом и водой. Чтобы свести к минимуму потери от выщелачивания нитратов, требуется тщательное планирование управления питательными веществами и методов орошения.
5️⃣Минерализация. Почвенные организмы превращают органические азотсодержащие соединения в аммоний и нитраты, прежде чем их можно будет использовать в качестве основных источников питания растений. Скорость минерализации определяет, насколько быстро источники питательных веществ, такие как компост, навоз, растительные остатки и органическое вещество почвы могут быть полезны для питания растений. Различные факторы окружающей среды и свойства органического материала во многом определяют скорость этого процесса.
6️⃣Иммобилизация. Почвенным микробам часто требуется больше азота, чем содержится в разлагающихся органических материалах, поэтому они включают неорганический азот в свою биомассу. Включение нитратов и аммония в органические соединения временно снизит их концентрацию в почве и оставит меньше неорганического азота, доступного для поглощения растениями в течение определенного периода времени.
7️⃣Динамика поглощения азота растениями. Ключом к эффективному питанию сельскохозяйственных культур является обеспечение азота в то время, когда растения могут его использовать. Многие культуры имеют определенные периоды максимального поглощения, а также другие периоды вегетации, когда поглощается меньше азота. Согласование сроков внесения азотных удобрений с этими периодами пикового спроса может улучшить извлечение азота и минимизировать вероятность выщелачивания нитратов. Понимание закономерности поглощения азота для каждого вида важно для разработки эффективных стратегий процесса удобрения.
Использование нитратов в оросительной воде💧 Нитраты в оросительной воде могут служить ценным источником питания сельскохозяйственных культур. Правильное использование этого нитрата требует точного химического анализа воды и оценки количества применяемой воды. Растения усваивают нитраты только в период созревания урожая. Орошение богатой нитратами водой в периоды, когда растения маленькие или когда транспирация низкая, не приводит к эффективному использованию нитратов. Для правильного использования воды и эффективного использования этого источника нитратов необходимы надлежащие методы орошения.
🌿Покровные культуры. Культуры, которые обеспечивают растительный покров почвы, но не убираются, предлагают несколько преимуществ для управления питательными веществами. Покровная бобовая культура обеспечит дополнительный азот следующей культуре, когда она будет уничтожена. Небобовые покровные культуры могут удалять нитраты и воду из почвы, что часто приводит к меньшему вымыванию (выщелачиванию) нитратов. Покровные культуры могут обеспечить множество других преимуществ, таких как защита от эрозии и среда обитания для диких животных и насекомых. Обработка остатков покровных культур требует заблаговременного планирования.
Азот — это питательное вещество для растений, которое чаще всего ограничивает рост и урожайность сельскохозяйственных культур. Недостаток N часто виден по замедленному росту и бледно-зеленым листьям.
Потери азота в воздух и воду можно рассматривать как отверстия в трубе. Труба представляет собой почвенную систему, содержащую множество форм азота, в том числе иммобилизованный азот или азот, “изолированный” органическим веществом. Цель управления азотом состоит в том, чтобы преобразовать как можно больше входящего азота в восстанавливаемый выходящий азот, минимизируя эти “утечки” из системы.
Источник