Управление азотом: ошибка может дорого стоить

Азот в качестве элемента питания играет первостепенную роль в росте, развитии и плодоношении растений, принимая разные химические формы. С одной стороны, азот — это благо, а с другой — угроза, поскольку опасны многочисленные изменения, которые с ним происходят в окружающей среде при внесении азотных и органических удобрений. Растениям для развития нужно строго определенное количество азота, а его избыток или недостаток вызывают неблагоприятные последствия.

Меняющийся климат, распространение болезней и вредителей, повторяющиеся засухи, высокие затраты в аграрной сфере и неопределенная ситуация на рынках показывают, что небольшая ошибка в обращении с азотом может дорого обойтись земледельцу и окружающей среде. Поэтому проводимую в аграрном секторе деятельность следует ориентировать на моделирование высококачественного производства при сохранении оптимальных затрат и заботе об экологии.

Наша атмосфера на 78% состоит из азота, который не горит, в отличие от кислорода. Он был открыт в конце XVIII века, а в начале XIX столетия наука установила необходимость азота в качестве элемента питания для растений, без которого они не могут существовать, тратя много энергии на его поглощение. На протяжении последующих 100 лет ученые пытались «извлечь» азот из воздуха для создания азотного удобрения. В начале ХХ века у немецких химиков Габера и Боша это получилось. Была разработана реакция синтеза аммиака из воздуха в промышленных масштабах, названная «выпечкой хлеба из воздуха».

Наиболее важны функции азота в процессах структурообразования у растений — в качестве основного строительного компонента, регулирования усвоения других макро- и микроэлементов, протекания в растении биохимических реакций. В качестве компонента генетической информации азот участвует в репродуктивной функции, а как переносчик энергии молекул  обеспечивает энергетическую функцию. В итоге азот оказывает огромное влияние на продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур.

Чтобы быть эффективным для культур, азоту нужно постоянное присутствие других макро- и микроэлементов (калия, фосфора, кальция, магния, серы, железа, бора, меди, марганца, цинка, молибдена, кобальта, кремния и др.), необходимых для правильного функционирования растений. Недостаток каждого из них также вызывает нарушения в развитии растений (табл. 1).

В наших минеральных почвах общее содержание азота составляет в среднем 0,06-0,3%, а органические почвы могут содержать до 3,5% азота. Из всего общего количества азота только 1-5% приходится на долю минеральных соединений, которые потребляют растения в форме иона аммония NH₄+ и нитрат иона NO₃-. Остальное количество азота в почве (95%) составляют органические соединения Nорг, для разложения и перевода которых в доступную для растений минеральную форму требуется время и условия.

К легкоразлагаемому в почве органическому азоту относятся корневые и надземные послеуборочные остатки, виды органических удобрений, солома и зеленые удобрения.

Состояние питания растений определяется формами азота, которые поглощает растение: NH₄+ и нитрат иона NO₃-. В природе также существует несколько десятков видов микроорганизмов, которые способны связывать атмосферный азот N₂. Многие растения из семейства бобовых, благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями, способны фиксировать атмосферный азот.

Почвенный поглощающий комплекс имеет отрицательный заряд, поэтому способен притягивать и удерживать положительно заряженные элементы питания и отталкивать отрицательно заряженные. Если поглощающий комплекс почвы притягивает определенные формы азота, то они не выщелачиваются, что полезно для плодородия. Некоторые формы азота могут отталкиваться частицами почвы, что вызывает большие потери элемента.

Катион аммония NH₄+ имеет положительный электрический заряд, благодаря которому хорошо удерживается почвой. А вот нитратная форма NO₃- является анионом с отрицательным зарядом, поэтому слабо удерживается почвой и легко вымывается (табл. 2).

Что наиболее выгодно с точки зрения питания растений, экологической безопасности и экономики? Это взаимодействие нитратной и аммонийной формы.

Какой коэффициент использования азота растениями из минеральных удобрений? Обычно не более 70%, и это хороший результат. Исследования показывают, что в отдельных случаях азот из минеральных удобрений может использоваться всего на 20%, что свидетельствует о впустую затраченных средствах.

Какие процессы оказывают влияние на размеры потерь азота? Выщелачивание и улетучивание NO₃-, а также вызываемая бактериями Alcaligenes, Pseudomonas, Flavobacterium, Bacillus денитрификация, которая с химической точки зрения выглядит следующим образом:

C₆H₁₂O₆ + 4NO₃- → 6CO₂ + ↑2N₂ + 6H₂O + энергия

Газообразные потери N₂ представляют собой экологическую проблему, поскольку восстановление нитратов до N₂ — это естественный процесс. К сожалению, образующиеся закись NO и окись N₂O азота являются парниковыми веществами, разрушающими озон.

Вымыванию больше подвержена нитратная форма азота NO₃-. Нитрат-ионы мигрируют с дождевой водой, перемещаются в почвенном профиле с капиллярной водой. Это еще один источник потерь. Избыток нитратов на песчаных почвах осенью — это практически 100% вымывание из почвы. В глинистых почвах риск вымывания снижается до 50%.

На вымывание нитратов из почвы влияет погода, затяжная осень, мягкая зима, сильные снегопады, быстрые оттепели ранней весной, проливные дожди.

На потери азота от вымывания влияет стратегия внесения азотного удобрения:

• большое количество минерального азота в почве с осени;
• высокие дозы минерального азота ранней весной;
• трансформация минерального азота в почве;
• вид азотного удобрения;
• срок внесения и доза удобрения.

Сдерживает потери азота в холодное время растительный покров и правильная агротехника: севооборот, структура почвы, уклон и фактура участка. 

Газообразные потери азота в виде аммиака — «деньги на ветер». Наиболее популярным видом азотного удобрения в мире является мочевина — самое концентрированное азотное удобрение (до 46% азота). С точки зрения затрат на транспортировку и хранение мочевина имеет преимущество перед остальными азотными удобрениями. Содержащаяся в мочевине амидная форма азота после процесса разложения (гидролиза), превращается в аммонийную форму, которая легко усваивается растениями. Скорость гидролиза зависит от активности фермента уреазы.

уреаза
H₂N - CO – N-H₂ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃

Гидролиз мочевины обычно приводит к газообразным потерям азота в виде аммиака NH₃. Это происходит вскоре после поверхностного внесения мочевины без заделки в почву и при длительном отсутствии осадков. Процесс потерь аммиака ускоряется при высокой температуре, недостаточном уровне рН и на легких почвах. По оценкам разных ученых, потери азота из мочевины в разных условиях (луга, культуры) могут достигать 20-90%. Почему они такие высокие?

Чем дольше мочевина лежит на почве или в почве в нерастворенном виде, тем больше потери азота в виде аммиака и не только. Аммиак повреждает растения, снижает всхожесть, а попадая в атмосферу, возвращается в окружающую среду с дождем, способствуя подкислению почвы и эвтрофикации водоемов.

Однако у мочевины много преимуществ. Прежде всего, низкая стоимость, низкая взрывоопасность производства, транспортировки и хранения. Благодаря высокому содержанию азота она удобна для внесения на поля.

Как снизить потери азота из мочевины и максимально использовать азот из минеральных удобрений? Проблема повышения эффективности использования питательных веществ давно беспокоит ученых. За последние годы для решения этой задачи были разработаны и предложены производству разные технологии, призванные решить экономические (повышение рентабельности производства), социальные (более высокое качество сельхозкультур) и экологические (азотный баланс) аспекты.

Важнейшей задачей на данный момент является повышение эффективности всех видов удобрений, в том числе и азотных, значительная часть питательных элементов из которых теряется. Наукой доказано, что в первый год после внесения минеральных удобрений растениями используется: азот — до 70%, калий — на 50-60%, фосфор — на 10-25%.

Уже много лет наука трудится над способами снижения потерь азота, решая экологические и экономические проблемы. Агрохимическая промышленность разрабатывает особые виды удобрений, которые сдерживают потери азота из минеральных удобрений. К этой группе относятся стабилизированные удобрения, содержащие ингибиторы нитрификации или ингибиторы уреазы. Ингибиторы — это вещества, замедляющие процессы превращения азота.

Ингибиторы нитрификации замедляют окисление иона аммония (NH₄+) до иона нитрата (NO₃-) многочисленными почвенными бактериями (включая Nitrosomonas и Nitrobacter). Задерживая превращение аммония в нитрат — уменьшают количество нитратов в почве, процесс их вымывания и денитрификации. Такое замедление на практике длится от 4 до 10 недель и сильно зависит от температуры почвы. Цель использования ингибиторов нитрификации — повышение эффективности использования азота культурами.

Многие природные и искусственно созданные соединения обладают свойствами, замедляющими процесс нитрификации. Однако большая часть таких соединений обладает токсичностью по отношению к почвенным микроорганизмам, животным и человеку.

Поэтому к ингибиторам нитрификации предъявляют высокие требования, которые должны иметь способность:

• замедлять или блокировать окисление катиона аммония (NH₄+) без превращения анионов нитрита (NO₂-), что делает невозможным дальнейшее окисление до нитрат-аниона (NO₃-);
• блокировать процесс нитрификации на несколько недель после применения;
• быть безопасными для фауны, флоры и человека в используемых дозах;
• быть рентабельными.

На рынке зарегистрировано много ингибиторов нитрификации. Однако на практике их используется намного меньше.

Преимущества использования ингибиторов нитрификации сводятся к более низким выбросам парниковых газов (NO и N₂O), снижению вымывания азота в поверхностные и грунтовые воды, улучшению усвоения растениями фосфора и микроэлементов из почвы.

К недостаткам ингибиторов нитрификации можно отнести то, что полевые испытания в большинстве случаев не показывают значительного воздействия этих вещества на урожай. Ингибиторы нитрификации отрицательно влияют на почвенные микроорганизмы, а имеющиеся на рынке вещества работают недостаточно долго (не стабильны). К тому же замедление нитрификации снижает вымывание азота в грунтовые воды, но не устраняет его полностью.

Что можно сказать об ингибиторах уреазы, которые замедляют гидролиз мочевины ферментом уреазой. Мочевина содержит азот в амидной форме, которую растения не могут напрямую усвоить. После перехода амидной формы в аммонийную (гидролиз мочевины) растения способны поглощать азот из мочевины.

Уреаза — это фермент, который выделяется многочисленными микробами и растениями в почву и воду повсеместно и не вымывается из почвы. В организме человека также присутствует энзим уреаза. Уреаза очень активна в температурном диапазоне от -20 до +70 °С, увеличивает активность вместе с повышением температуры, поэтому полный распад мочевины происходит за 10 дней при 5 °С и за 2 дня при 30 °С.

Гидролиз мочевины вызывает большие потери газообразного азота в виде улетучивания аммиака, что происходит при поверхностном внесении удобрения. Летучий аммиак может повредить проростки или рассаду, уменьшая всхожесть и силу роста растениий, приводя к экономическим потерям. В зависимости от температуры воздуха, влажности почвы и инсоляции потери азота могут составлять 80% (особенно при подкормке кукурузы). Ингибитор уреазы позволяет устранить или значительно уменьшить эти потери.

Образующаяся из амидной формы мочевины аммонийная форма азота очень мало перемещается в почве, поэтому азот размещается в верхней части почвенного профиля, что неблагоприятно для большинства культур. Процесс нитрификации в этом случае также более интенсивен. Причина этого — более быстрое повышение температуры на небольшой глубине почвы и большая доступность кислорода. Нитрификация, а значит большое количество нитратного азота в почве — это потеря денег и экологический риск.

Ингибитор уреазы останавливает гидролиз мочевины. Продолжительность блокирования действия уреазы зависит от дозы используемого ингибитора. Амидная форма мочевины благодаря нейтральному электрическому заряду подвижна в почве, в отличие от аммонийной формы.

Следовательно, гидролиз мочевины на поверхности почвы при подкормке или неглубоко в почве (мелкие обработки почвы) провоцирует ситуацию образования в верхнем слое почвы большого количества аммиачной формы, что делает корневую систему ленивой для поиска питания (неспособна проникать в более глубокие слои). Ингибитор уреазы, замедляющий гидролиз мочевины, заставляет амидную форму азота перемещаться в корневую зону, где происходит переход в аммонийную форму.

Современные ингибиторы уреазы блокируют гидролиз мочевины на поверхности почвы, поэтому потеря аммиака сводится к нулю. Ослабление процесса нитрификации также вызывает снижение потерь азота в результате процессов денитрификации и вымывания.

В статье использована информация из брошюры «Azot: wszystko, co powinieneś wiedzieć. AGRII praktycznie», cz. 1.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство» (2021 г., № 15).