Азот в земледелии

Вода, углерод и азот — основные конституэнты живого вещества и главные носители плодородия почв. Удобрительное значение селитры и навоза в земледелии известно с древнейших времен.

Однако лишь исследованиями Буссенго и Либиха в первой половине XIX в. была показана роль азота, фосфора, калия в повышении урожаев растений; но, как отмечает Д. Н. Прянишников (1945), только Буссенго и позже Гельригель доказали, что бобовые растения обладают способностью усваивать атмосферный азот и обогащать им почвы. Ими в Европе на смену трехполью были введены четырехпольные (норфолькские) севообороты с культурой клевера, люцерны, люпина и других бобовых. Как известно, это позволило удвоить урожаи зерновых культур в Западной Европе без минеральных удобрений. Необходимость иметь бобовые культуры в ротации севооборота является общепризнанным условием продуктивного земледелия. Эффективность минеральных удобрений возрастает вдвое-втрое при наличии бобовых в севооборотах и в сочетании с органическими удобрениями.

Симбиотическая фиксация азота широко представлена в мире растений. При высоких урожаях бобовые за год накапливают в почвах 100—300 кг/га азота и оставляют до 10—20 т органической биомассы. Кроме бобовых, у которых роль клубеньковых бактерий на корнях особенно выражена, сходные образования обнаружены на корнях или листьях десятков других видов растений. Из небобовых древесных Casuarina equisetifolia активный аккумулятор азота (до 60 кг/га). Установлено также, что микориза на корнях растений играет определенную роль в фиксации азота атмосферы. Возможно, в будущем удастся эффективно использовать этот механизм в земледелии. Многолетние бобовые растения содержат до 1/3 связанного азота в корневой массе и оставляют этот азот в почве. В однолетних бобовых растениях почти весь азот находится в наземной биомассе, поэтому их прямая удобрительная роль меньше.

Как отмечено выше, значительная роль в балансе азота почв принадлежит свободно живущим бактериям. Гетеротрофные микроорганизмы, фиксирующие азот в почвах разных природных зон, принадлежат к родам Spirillum, Clostridium, Enterobacter, Azotobacter, Desulfovibrio (Rosswal, 1978). Их эффективность тем выше, чем больше в почвах энергетического материала (гумуса, свежих органических остатков, навоза). Корневые выделения и отмирающие тонкие корешки растений также являются энергетическим материалом для деятельности гетеротрофных фиксаторов азота. Суммарно бактерии группы Clostridium и группы Azotobacter в год могут фиксировать до 50 кг/га азота. Заправка почв органическими удобрениями (по 20—30 т/га) позволяет поднять фиксацию азота свободного живущими микроорганизмами вдвое-второе (Федоров, 1952). Органические удобрения при этом обеспечивают также повышение концентрации углекислоты в приземном воздухе полей, что увеличивает продуктивность фотосинтеза. Это дает до 10 млн. т азота в год на 100 млн. га пахотной площади. Для мировой площади земледелия (1,5 млрд. га) эта величина втрое превышает размеры фиксации азота промышленностью (50—60 млн. т/год).

Фиксация молекулярного азота клубеньковыми бактериями и свободно живущими микобактериями особенно возрастает на окультуренных почвах в присутствии органических веществ: гумуса, соломы, стерни, а также глюкозы, аспарагиновой кислоты (Федоров, 1952). Усиливают рост и деятельность клубеньковых бактерий молибден, бор, медь, осмий, рутений. Минеральные удобрения (фосфор, кальций, калий) также улучшают деятельность клубеньковых бактерий. Присутствие нитратов, высокая кислотность почв, наоборот, подавляют фиксацию азота бобовыми. В пахотных почвах, используемых без органических удобрений, происходит потеря запасов азота. Во многих почвах США, Канады, Индии за столетие содержание азота уменьшилось на 40—50% (Jenny, Raychaudhury, 1960). То же наблюдается на старопахотных черноземах Европы.

Фиксация азота свободно живущими и симбиотическими бактериями является универсальным и в то же время недорогим механизмом обогащения агроэкосистем этим элементом и поддержания плодородия почв. Размеры суммарной фиксации азота варьируют в зависимости от вида растений, от условий местности и погоды, от свойств почв и колеблются в пределах 100—400 кг/га в год. Годовая потребность сельскохозяйственных растений при средних урожаях близка к этой величине. О возможных факторах, ограничивающих размеры фиксации азота в почвах, можно судить по данным таблице (Dommergues, Garcia, 1980).

Факторы, снижающие интенсивность фиксации азота на полях (на примере Африки)

Судьба азота после его биогенной фиксации определяется характером превращения органического вещества, климатом местности, пищевыми цепями и их звеньями, аэробностью среды, образованием гумуса, аммиака, нитритов, нитратов и их повторным поглощением растениями и микроорганизмами. Минеральные соединения азота: нитраты, нитриты, аммонийные соли угольной и серной кислоты—высокорастворимы и очень легко вымываются из почвы нисходящим, боковым и поверхностным стоком, поступая в грунтовые, речные, морские воды. Почвы не сорбируют анионы NO₃^—, NO₂^— (отрицательная адсорбция). Лишь аммоний закрепляется в некоторых количествах в почвах в качестве обменного и малообменного катиона.

Аммиак — газообразное соединение азота — легко улетучивается из почв. Местные и региональные потоки аммиака с пастбищ, скотных дворов, населенных пунктов, с удобренных полей уходят в атмосферу. То же происходит с газообразными продуктами денитрификации: различными окислами азота, молекулярным азотом — они также уходят из почвы и экосистем в атмосферу. С этой точки зрения биогеохимия азота неблагоприятна для земледелия.

Денитрификация и выщелачивание ведут к потере почвами до 40—60% вносимого азота. Все это создает в почвах обстановку постоянного и практически почти повсеместного дефицита азота, столь необходимого для питания культурных растений на полях. Исключение составляют богатые гумусом почвы мира: черноземы, брюниземы, луговые почвы долин, перегнойно-карбонатные почвы (рендзины), которые благодаря природной высокой гумусности активно продуцируют нитраты и длительное время обеспечивают урожаи растений без минеральных удобрений. Однако после 50—100 лет такого использования и после потери запасов гумуса эти почвы уже не могут обеспечить устойчивые высокие урожаи, так как эмиссия углекислоты, фиксация и запасы азота, образование нитратов в них резко снижаются. Поэтому возникла необходимость широкого применения органических и минеральных удобрений и поддержания в пахотных почвах положительного баланса гумуса.

Доказательством энергетической зависимости процессов фиксации азота от наличия органического вещества в почвах является известная закономерная связь содержания азота и гумуса. В среднем содержание азота в органическом веществе почв составляет около 10% (7—12%). Поэтому содержание азота в почвах в общем пропорционально содержанию в них гумуса. Конечно, существуют отклонения от этой закономерности, вызванные специфическими особенностями местности и почвообразования. Известны, например, нитратные солончаки (NO₃ до 3—15%) в пустынях Чили, Перу, Аравии, Узбекистана. Они почти не имеют гумуса, но обогащены нитратами и хлоридами, поступившими из грунтовых вод.

При всем значении биогенного азота в повышении плодородия почв было бы ошибкой недооценить значение азота минеральных удобрений. Мировой опыт развития земледелия за минувшие десятилетия показал огромную роль минеральных удобрений в повышении урожаев продовольственных и технических культур. Азотным удобрениям, в среднем составляющим 50% их мировой продукции, в этом принадлежит определяющая роль (Fink, 1982). Развитые индустриальные страны и развивающиеся страны после второй мировой войны удвоили и утроили урожаи и валовые сборы зерновых культур благодаря интенсивному (в 3—5 раз) увеличению применения минеральных удобрений и введению высокоурожайных и требовательных к питанию сортов растений. Появилось даже известное пренебрежение к биогенным факторам почвенного плодородия (гумусу, бобовым травам в севооборотах, органическим удобрениям). Односторонний рост норм азотных, фосфорных, калийных удобрений сопровождался растратой почвенного гумуса, увеличением кислотности почв и нарастанием дефицита кальция, ослаблением почвенной биохимии, эмиссии CO₂ и уменьшением фиксации биогенного азота. Прирост урожаев по всем мире стал замедляться, а колебания их уровня усиливаться. Это явление наблюдается на полях США, Канады, Австралии.

Земледельцы Америки и Западной Европы увеличили внимание к биологическим факторам почвенного плодородия (бобовые в севообороте, сидерация, навозные удобрения, повышение содержания гумуса). Это течение получило даже специальное название «organic farming» — «органическое земледелие». Между тем если обратиться к научному наследию классиков мирового земледелия Э. Д. Расселя (1955), Д. Н. Прянишникова (1945) , ВР. Вильямса (1931), то мы найдем в их трудах настойчивые указания на необходимость рационального использования и сочетания биологических факторов почвенного плодородия (плодосмен, бобовые, органическое вещество) и минеральных удобрений как главной основы прогрессивного повышения урожаев на полях. Наиболее убедительно это показано Д. Н. Прянишниковым, который настаивал на том, что для повышения урожаев хлебных злаков и технических культур нужно идти двумя путями: вносить минеральные удобрения (особенно азот) и вводить севообороты с бобовыми (биологический азот). К этому необходимо добавить и третий путь — обильные органические удобрения (возвратный азот и несимбиотический фиксированный азот). Эти же положения можно найти в работах Е. Н. Мишустина (Биологический азот…, 1967, 1968) и А. В. Соколова (1971).

Глубокая и экспериментально хорошо обоснованная концепция роли биологической фиксации азота развита известным индийским ученым HP. Даром (Dhar, 1974). Регулярное обогащение почв полей свежим органическим веществом (корни, солома, навоз), поддержание в них запасов гумуса и добавление кальцийфосфатов (фосфориты, доменные шлаки, костная мука), по данным Н. Дара, в несколько раз увеличивают эффективность минеральных удобрений и орошения в условиях Индии. Органические удобрения и бобовые в севообороте позволяют по крайней мере вдвое снижать потребность в минеральных удобрениях и значительно удешевлять продукцию.

Управление круговоротом и балансом азота в агроэкосистемах, оптимизация его уровня в почвах — одна из основных задач рационального земледелия. Регулирование циклов азота в земледелии должно базироваться на понимании генезиса и динамики почв и на обеспечении сбалансированных источников поступления азота в почвы с учетом требований растений в ротации и ожидаемого урожая (бобовые в севооборотах, биогенная фиксация, возврат и повторное использование азота органических веществ и минеральных удобрений). Кроме того, должны быть обеспечены агромероприятия, способствующие удержанию соединений азота в почвах (увеличение запасов гумуса, исключение эрозии почв и смыва удобрений, сохранение на полях стерни и других растительных остатков, ослабление денитрификации).

В условиях хорошо организованного хозяйства общая сумма соединений азота за вегетационный период для получения высокого урожая основных культур должна складываться примерно из 80—120 кг/га азота удобрений и 150—200 кг/га азота биогенного. Это составит 200—300 кг/га азота, что обеспечит высокий урожай растений и перекроет неизбежные потери азота из почв на денитрификацию и выщелачивание на 30—50%.

По расчетам Д. Н. Прянишникова (1945) и по опыту передовых хозяйств СССР, для покрытия потребностей земледелия в биогенном азоте необходимо в ротации сельскохозяйственных культур иметь около 25% бобовых. Вместе с навозными удобрениями (возвратный и дополнительно фиксированный азот) и минеральным азотом это в совокупности гарантировало бы оптимальный уровень азотного питания растений.

Таким образом, с точки зрения оптимизации углеродно-азотного баланса пахотных почв, стабильности их плодородия и роста урожаев травосеяние в севооборотах и животноводство (как поставщик животных белков и комплексных органических удобрений) являются абсолютно необходимым компонентом высококультурного продуктивного сельского хозяйства. Следует всегда иметь в виду, что каждая тонна хороших органических удобрений (в пересчете на сухой вес) содержит 3—4 · 10⁶ ккал связанной энергии. Это дает возможность микроорганизмам фиксировать 10—15 кг/га азота (кроме связанного в органической массе) и одновременно отдавать в приземную атмосферу поля 4—5 т углекислоты, столь необходимой для фотосинтеза биомассы.

Из этого анализа следуют очень важные практические выводы. Для средних урожаев зерновых хлебов порядка 30 ц/га в СССР, исходя из нормативов Д. Н. Прянишникова, годовая потребность в азоте составляет около 14,5 млн. т, а для урожаев 40—50 ц/га общая потребность в азоте составляет 20—22 млн. т. Для того чтобы покрывать эту потребность в азоте, недостаточно азота производимых в СССР в ближайшей перспективе минеральных удобрений. Необходимо всемерное расширение практики использования в земледелии страны азота органических удобрений (навоз, компосты, зеленые удобрения — сидерация, сапропели, отходы сахароварения и др.), азота биогенной фиксации (бобовых трав, свободно живущих микроорганизмов), азота растительных остатков (стерня, рубленая солома) и азота почвенного гумуса (землевание почв, защита от эрозии).