Азот и его соединения в биосфере и почвах

Азот и его соединения играют в жизни планеты и биосферы, в формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в продуктивности земледелия, здоровье и деятельности человека столь же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода и, возможно, превышает ее.

Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам (при содержании железа, принятом за единицу) составляет для углерода и азота соответственно

Из других биофильных элементов только фосфор характеризуется таким же высоким индексом концентрации в биомассе (1000—10 000 — Speidel, Agnew, 1982). Несмотря на высокую биофильность азота, его основные запасы (около 74—80%) сосредоточены в атмосфере планеты (4 · 10¹⁵ т), куда направлены биогеохимические потоки газообразных соединений азота, образующихся при денитрификации.

Общие сведения о запасах азота на планете и их распределении в различных ее сферах еще далеко не точны; имеющиеся данные у разных авторов расходятся на порядки величин.

Сопоставляя эти разноречивые данные, все же можно представить следующую картину распределения азота на планете. Атмосфера содержит главные запасы азота планеты (6—4 · 10¹⁵ т). Осадочные породы земной коры, образовавшиеся при значительном участии биологических факторов и примесей погребенной органики, содержат азота около 6 · 10¹⁴ т, т. е. лишь на один порядок меньше. Океан, который также испытал за время своего существования влияние жизни и притока метаболитов азота, содержит колоссальное количество азота — 2 · 10¹³ т. Азот в биомассе суши и в почвах уже измеряется величинами, на два-три порядка меньшими, причем почвенный покров на один-полтора порядка богаче азотом, чем биомасса суши, являясь как бы резервом плодородия экосистем. Велика концентрация азота в массе, слагающей ископаемое топливо (угли, нефть, сланцы, газы).

Молекулы N₂ являются устойчивыми газовыми соединениями азота. Превращение молекул N₂ в аммоний, окислы азота и азотную кислоту требует затрат до 226 ккал энергии на каждый моль N₂. В природе это энергия электрических разрядов или энергия органических веществ, используемых фиксирующими и нитрифицирующими бактериями. В индустрии это энергия горючих ископаемых, электростанций и высокое давление. Образующиеся минеральные соединения азота (аммоний, нитраты) крайне необходимы для растений. Но они термодинамически нестойки и рано или поздно возвращаются к наиболее стойкой газовой форме соединений N₂ (Goldschmidt, 1954). Именно поэтому N₂ является главным компонентом атмосферы Земли (78,10% по объему).

Высказываются соображения, что первично азот в атмосфере был результатом процессов дегазации верхней мантии, магмы и вулканических выделений. Электрические и фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы приводят к заметному поступлению соединений азота на сушу и в океан с атмосферными осадками (3—8 кг/га аммонийного азота в год и 1,5—6,0 кг/га нитратного — Goldschmidt, 1954). Эти количества соединений азота, поступающие на сушу, включаются в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвуют в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.

В биосфере соединения азота представлены газами (N₂, NH₃, NO_x), солями азотных кислот (нитриты, нитраты), солями аммония, разнообразными органическими соединениями. Валентность азота меняется при этом от —3 до +5.

В рамках программы СКОПЕ были попытки оценить хотя бы приближенно основные массы и потоки азота, вовлеченного в локальные и глобальные биогеохимические циклы (Rosswall, 1975).

Азот входит в состав хлорофилла, гемоглобина, алкалоидов. Гумусовые кислоты, аминокислоты, белки, амиды, аминосахара, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др. являются главными формами органических соединений азота в почвах, поддерживающими их плодородие. Аммиак, аммонийные соли, окислы азота, нитриты, нитраты представляют основные минеральные соединения азота в почвах, почвенных и грунтовых водах. Существенная часть аммония в почвах находится в обменно-поглощенной и необменно-поглощенной формах, доступных для питания растений. Частично поглощаются почвой и газообразные окислы азота.

К настоящему времени процессы биологической фиксации и миграции азота на суше и в океане существенно нарушены деятельностью человека (уничтожение лесов, целинной травянистой растительности, удобрения, загрязнение рек, морей и др.). Но и поныне биологические факторы определяют основные размеры поступления азота в биосферу и все еще значительно (2 : 1) преобладают над техногенными источниками азота.

Направленность развития биогеохимического цикла азота на планете все же еще сохранилась такой, как она сложилась в доиндустриальную эпоху. Процессы денитрификации соединений азота в конечном счете уводят большую часть поступающего в биосферу азота в атмосферу в виде N₂, NH₃ и окислов. Денитрификация оценивается различными авторами величинами порядка 90—100 млн. т/год. Однако значительная часть соединений азота находится вместе с углеродом в составе живой биомассы, в мертвом органическом веществе, в составе почв, вод, торфа, в донных отложениях озер и океана, в составе углей, нефти, лигнитов, газа. Определенная часть минеральных соединений азота остается в водных растворах и мигрирует с ними (почвенные, грунтовые, речные, озерные, морские воды), вызывая растущую эвтрофикацию вод и загрязнение почв и продуктов питания.

В составе гумуса почв азот занимает сравнительно скромное место (5—10%), но его общее содержание в почвах тем выше, чем они богаче гумусом. Лишь в особых условиях крайне аридных пустынь (Перу, Чили, Центральная Азия) азот накапливается в больших количествах в форме залежей селитры.

Азотные удобрения сыграли главную роль в росте урожаев сельскохозяйственных культур в последние 50 лет. В странах Западной Европы средние нормы вносимого с удобрениями азота достигли 100—150 кг/га, иногда 200—250 кг/га. Азотные удобрения уже составляют до 30—40% общих поступлений азота на сушу и в океан. Избыточные нормы удобрений и особенно их небрежное внесение на поля приводят к эвтрофикации среды и тяжелым заболеваниям людей и животных. Аммоний сорбируется почвой (обменно и необменно), что защищает его от выщелачивания.

Нитратный азот не сорбируется почвами и легко вымывается водами, легко восстанавливается в газообразные формы и поэтому в больших количествах (20—40%) теряется для растений (уходит в атмосферу в форме аммиака, окислов или молекулярного азота, вымывается водой). Потребность культурных растений в азотном питании поэтому всегда обострена. В прошлом источниками азота для растений были его запасы в гумусе почв, местные органические удобрения (навоз), чилийская селитра. В последние 50-60 лет химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником азотного питания культурных растений и роста их урожаев. Таким образом, земледелие и промышленность химических удобрений существенно изменили природный биогеохимический цикл азота, направив его не к атмосфере, а на сушу, в почвы.

Рост численности населения, рост потребности в питании, особенно белковом, потребовали развития животноводства и внедрения в земледельческую культуру растений, дающих ценную белковую продукцию (пшеница, соя). Все это возможно только при условии очень быстрого увеличения урожаев на основе минеральных азотных удобрений. На глазах одного поколения происходит обогащение питания белками, а среды обитания — соединениями азота.

Поступления азота удобрений в круговорот веществ на суше должны удвоиться и утроиться в ближайшие 15—20 лет. Уже теперь нитраты и аммиак удобрений локально загрязняют воды рек, родников, озер, подземных бассейнов. Очевидна необходимость овладения механизмом биологической фиксации азота на суше и уменьшения потерь азота на вымывание и денитрификацию. Столь же очевидна необходимость использования всех органических отходов, содержащих азот, в качестве местных удобрений (реутилизация отходов).

Естественным путем фиксации азота и появления его соединений на суше и в океане были и остаются процессы его связывания симбиотическими и свободно живущими микроорганизмами, водорослями, лишайниками, микоризой; за этим идут процессы минерализации белков, аммонификация, нитрификация, денитрификация, повторный захват нитратов и аммония растениями.