Азот - один из наиболее широко распространенных элементов в природе. Основными его формами на Земле являются связанный азот литосферы и газообразный молекулярный азот атмосферы, составляющий около 76 % воздуха по массе. Однако молекулярный азот атмосферы не усваивается высшими растениями. В почве сосредоточена лишь минимальная часть литосферного азота и только от 0,5 до 2 % почвенного азота доступно растениям. Этот азот представлен в форме NO-3 и NH+4-ионов.
Ионы NO-3 подвижны, плохо фиксируются в почве и легко вымываются почвенными водами в более глубокие слои почвы и водоемы. Содержание нитратов в почве возрастает весной, когда создаются условия, благоприятные для деятельности нитрифицирующих бактерий. Катион NH+4 менее подвижен, хорошо адсорбируется отрицательно заряженными частицами, меньше вымывается осадками.
Запасы азота в почве могут пополняться разными путями. При возделывании сельскохозяйственных культур вносят в почву минеральные и органические азотные удобрения. В естественных условиях основная роль принадлежит специализированным группам микроорганизмов. Это азотфиксаторы, усваивающие молекулярный азот атмосферы, а также почвенные бактерии, способные переводить в форму NO-3 и NH+4-ионов органический азот растительных и животных остатков.
Процесс превращения органического азота почвы в NH+4-ионы называется аммонификацией. Она осуществляется гетеротрофными микроорганизмами по схеме:
органический азот RNH2 + H2O ® NH3 + ROH
NH3 + H2O ® NH+4 + OH-
Биологическое окисление NH+4 до NO-3, то есть нитрификация - это двухступенчатый процесс, осуществляемый двумя группами автотрофных бактерий: Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas окисляют аммиак до азотистой кислоты:
2 NH3 + 3O2 ® 2HNO2 + 2H2O,
а Nitrobacter окисляют азотистую кислоту до азотной:
2HNO2 + О2 ® 2HNO3
Биологическая азотфиксация
Газообразный азот может превращаться в доступные для растений соединения в ходе химической и биологической азотфиксации. Химическое связывание N2 в форме NO-3 и NH+4-ионов в небольших размерах происходит в результате фотохимических процессов и электрических разрядов в атмосфере. Сейчас налажено промышленное производство азотной кислоты и аммиака из азота воздуха.
Однако основная масса азота, содержащегося в населяющих нашу планету живых организмах, своим происхождением обязана деятельности микроорганизмов, способных ассимилировать молекулярный азот атмосферы, восстанавливая его до аммиака. Этот процесс называется биологической азотфиксацией.
Микроорганизмы, осуществляющие биологическую азотфиксацию, разделяют на свободноживущие и живущие в симбиозе с высшими растениями. Группа свободноживущих азотфиксаторов включает бактерии родов Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, а также фотосинтезирующие бактерии и некоторые виды цианобактерий - сине-зеленых водорослей. Все они гетеротрофы и нуждаются в углеводном источнике питания. Бактерии родов Azotobacter и Beijerinckia поселяются на поверхности корней высших растений и используют корневые выделения. Заселение цианобактериями рисовых полей увеличивает урожай риса примерно на 20 %. Однако сельскохозяйственное значение свободноживущих азотфиксаторов невелико. В умеренном климате ежегодная фиксация ими азота составляет не более 20 - 40 кг азота на гектар.
К группе симбиотических азотфиксаторов относятся бактерии рода Rhizobium, образующие клубеньки на корнях бобовых растений и фиксирующие, в среднем, от 100 до 400 кг азота на га. Большое значение в природе имеют некоторые лишайники, представляющие собой симбиоз гриба и азотфиксирующих цианобактерий. Они развиваются в субарктических зонах, на скалах и других бесплодных участках, являясь, таким образом, пионерами заселения суши. В настоящее время насчитывается около 190 видов растений разных семейств, способных симбиотически усваивать азот. К их числу относятся некоторые деревья и кустарники: ольха, восковница, лох, облепиха и другие.
Инфицирование растения-хозяина начинается с проникновения бактерий рода Rhizobium в клетку корневого волоска. Затем бактерии мигрируют в клетки коры и вызывают интенсивное деление инфицированных клеток, что приводит к образованию клубеньков на корнях. При этом сами бактерии превращаются в бактероиды, которые в 40 раз больше по объему исходной бактерии.
Молекула азота (NN) химически инертна. Для разрыва трех ее ковалентных связей в химическом процессе синтеза аммиака требуются катализаторы, высокие температура и давление. Биологическая фиксация азота осуществляется при невысокой температуре и нормальном давлении, что свидетельствует об очень высокой эффективности участвующего в этом процессе фермента нитрогеназы. Фермент состоит из двух компонентов: высокомолекулярного (200-250 кДа) Mo, Fe-белка и низкомолекулярного (50-70 кДа) Fe-белка. Субстрат N2 связывается и восстанавливается на Mo, Fe-белке, а Fe-белок служит переносчиком электронов от ферредоксина на Mo, Fe-белок. Реакция сопряжена с гидролизом АТФ. Для восстановления N2 до NH3 требуется 6 электронов, которые расходуются в три этапа:
2`e + 2H+ 2`e + 2H+ 2`e + 2H+
NN ¾¾¾® HN = NH ¾¾¾® H2N - NH2 ¾¾¾® 2 NH3
Поскольку нитрогеназный комплекс разрушается в присутствии кислорода, у азотфиксирующих микроорганизмов используется ряд механизмов для его защиты. У Rhizobium эту функцию выполняет гемсодержащий белок легоглобин или леггемоглобин, обладающий очень высоким сродством к кислороду. Он синтезируется клетками растения-хозяина и встраивается в мембрану бактероида. Функционирующий в бактероидах цикл Кребса служит источником субстратов для окисления в электрон-транспортной цепи, осуществляющей синтез АТФ, обеспечивает нитрогеназу электронами через ферредоксин, поставляет a-кетоглутаровую кислоту, которая, реагируя с NH-4, образует глютаминовую аминокислоту, транспортируемую затем в клетки растения-хозяина.
Редукция нитрата
В органические соединения включается только аммонийный азот, поэтому ионы нитрата, поглощенные растением, восстанавливаются в клетках до аммиака. Редукция нитрата в растениях осуществляется в два этапа. Сначала происходит восстановление нитрата до нитрита, сопряженное с переносом 2 электронов и катализируемое ферментом нитратредуктазой:
NO-3 + НAД(Ф)Н + Н+ ¾¾¾® NO-2 + НАД(Ф)+ + Н2О
Грибы и зеленые водоросли в качестве донора электронов используют восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный (НАДФН). У высших растений фермент имеет сродство к никотинамидадениндинуклеотиду восстановленному (НАДН), который образуется в ходе реакций гликолиза и цикла Кребса.
Нитриты, образующиеся на первом этапе редукции нитратов, быстро восстанавливаются до аммиака ферментом нитритредуктазой. Она в качестве донора электронов использует восстановленный ферредоксин:
NO-2 + 6 Фдвосст. + 8 Н+ ¾¾¾® NH+4 + 6 Фдокисл. + 2 Н2О
Обе эти реакции происходят в листьях и корнях. В зеленых частях растения нитритредуктаза локализована в хлоропластах. Восстановитель ферредоксин получает электроны прямо из фотосинтетической электронтранспортной цепи. В корнях нитрит восстанавливается в пропластидах. Так как в корнях ферредоксин отсутствует, то источником электронов служит НАДФН, образующийся в пентозофосфатном пути дыхания.
Пути ассимиляции аммиака
Аммиак, поступивший в растение из почвы, образовавшийся при восстановлении нитратов или в процессе фиксации молекулярного азота, усваивается растениями с образованием аминокислот и амидов. Фермент глутаматдегидрогеназа катализирует восстановительное аминирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием глютаминовой кислоты. На первом этапе реакции субстраты соединяются с образованием иминокислоты, которая затем восстанавливается в глютаминовую кислоту при участии НАД(Ф)Н. Оба этапа обратимы:
СООН H2O СООН СООН
½ ¯ ½ НАД(Ф)Н + Н+ ½
С=О + NH3 ¾¾¾® C = NH ¾¾¾® СН - NH2
½ ¾¾¾ ½ ¾¾¾ ½
СН2 CH2 ¯ CH2
½ H2O ½ НАД+ ½
СООН COOH COOH
a-кетоглутаровая кислота a-иминоглутарат глютаминовая кислота
Глютаматдегидрогеназа (мол. масса 200-300 кДа) обнаружена в листьях и корнях у всех высших растений, но в корнях ее активность выше. Фермент локализован преимущественно в митохондриях, хотя имеется в цитоплазме и в хлоропластах. Он состоит из 4-6 субъединиц. Это фермент обратимого действия и зависит от рН. Оптимум рН для аминирования на 1,5 единицы выше, чем для дезаминирования.
Глютаминсинтетаза катализирует реакцию, в которой глютаминовая кислота функционирует как акцептор NH3 для образования амида глютамина. Для этой реакции необходима АТФ:
СООН СООН
С - NH2 + NH3 + АТФ СН - NH2 + АДФ + Фн
СООН О=C-- NH2
Глютаминовая кислота глютамин
Ионы марганца, кобальта, кальция и магния являются кофакторами глютаминсинтетазы. Фермент обнаружен во всех органах растений и локализован в цитоплазме.
Помимо a-кетоглутаровой кислоты, играющей основную роль в первичном связывании аммиака, роль акцепторов аммиака в растениях могут выполнять и другие органические кислоты, которые с помощью соответствующих ферментов взаимодействуют с NH3, образуя так называемые первичные аминокислоты. Они же служат акцептором аминогрупп в различных реакциях переаминирования. К числу этих органических кислот относятся щавелевоуксусная, пировиноградная, гидроксипировиноградная, глиоксиловая и другие, в процессе восстановительного аминирования которых получаются соответственно аспарагиновая кислота, аланин, серин, глицин.
Принято считать, что образование аспарагина преобладает в том случае, когда происходит распад белков в семенах. В клетках корня и листьев растущего растения идет, главным образом, образование глютамина. Таким образом, образование аспарагина - это путь обезвреживания аммиака, появляющегося при распаде белка - так называемая регрессивная ветвь азотного обмена, тогда как синтез глютамина - это путь обезвреживания аммиака при синтезе белка - прогрессивная ветвь азотного обмена.
Роль амидов в растении разнообразна. Это не только форма обезвреживания аммиака, это и транспортная форма азотных соединений, обеспечивающая отток их из одного органа в другие. Кроме того, амиды и их предшественники аминокислоты являются материалом для создания многих других аминокислот в реакциях переаминирования, когда аминогруппа аминокислоты обменивается с кетогруппой кетокислоты с образованием аминокислоты.
Лекция 11. Тема: «Минеральное питание растении»
План лекции:
Фосфор
Растения поглощают из почвы свободную ортофосфорную кислоту и ее двух- и однозамещенные соли, растворимые в воде, а также и некоторые органические соединения фосфора, такие как фосфаты сахаров и фитин.
Содержание фосфора в растениях составляет около 0,2 % на сухую массу. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, фосфолипидов и витаминов. Многие фосфорсодержащие витамины и их прозводные являются коферментами. Для фосфора характерна способность к образованию химических макроэргических связей с высоким энергетическим потенциалом. АТФ является энергетической валютой в живых организмах. Фосфорилирование, то есть присоединении остатка фосфорной кислоты, активирует клеточные белки и углеводы и необходимо для таких процессов, как дыхание, синтез РНК и белка, деление и дифференцировка клеток, защитные реакции против патогенов и т.д..
Основной запасной формой фосфора у растений является фитин - кальций-магниевая соль инозитфосфорной кислоты. Содержание фитина в семенах достигает 2 % от сухой массы, что составляет 50 % от общего содержания фосфора.
При дефиците фосфора снижается скорость поглощения кислорода, снижается активность дыхательных ферментов, локализованных в митохондриях, и активируются ферменты (оксидаза гликолевой кислоты, аскорбатоксидаза) немитохондриальных систем окисления, происходит распад фосфорорганических соединений, тормозится синтез белков и свободных нуклеотидов. Наиболее чувствительны к недостатку фосфора молодые растения. Симптомом фосфорного голодания является синевато-зеленая окраска, в первую очередь, старых листьев нередко с пурпурным из-за накопления антоцианов или бронзовым оттенком (свидетельство задержки синтеза белка и накопления сахаров). Листья становятся мелкими и более узкими. Приостанавливается рост растений, задерживается созревание урожая.
Сера
В почве сера находится в органической и неорганической формах. Органическая сера входит в состав растительных и животных остатков. Основные неорганические соединения серы в почве – сульфаты (CaSO4, MgSO4, Na2SO4). В затопляемых почвах сера находится в восстановленной форме в виде FeS, FeS2 или H2S.
Растения поглощают из почвы сульфаты и в очень незначительных количествах серосодержащие аминокислоты. Содержание серы в растениях составляет около 0,2 %. Однако в растениях семейства крестоцветных ее содержание значительно выше. Сера содержится в растениях в двух основных формах - окисленной в виде неорганического сульфата и восстановленной (аминокислоты, глутатион, белки). Процесс восстановления сульфата происходит в хлоропластах.
Одна из основных функций серы в белках - это участие SH-группы в образовании ковалентных, водородных и меркаптидных связей, поддерживающих трехмерную структуру белка. Дисульфидные мостики между полипептидными цепями и двумя участками одной цепи (по типу S-S-мостика в молекуле цистеина) стабилизируют молекулу белка. Сера входит в состав важнейших аминокислот - цистеина и метионина, которые могут находиться в растениях в свободной форме или в составе белков. Метионин относится к числу 10 незаменимых аминокислот и благодаря наличию серы и метильной группы обладает уникальными свойствами и входит в состав активных центров многих ферментов. Метиониновые остатки могут придавать молекуле белка гидрофобные свойства, что играет важную роль в стабилизации активной конформации ферментов в солевом окружении. Сера входит в состав многих витаминов и коферментов, таких как биотин, коэнзим А, глутатион, липоевая кислота. В связи с этим сера необходима для многих процессов обмена веществ (например, аэробная фаза дыхания, синтез жиров и так далее). Сера участвует в образовании полиаминов, которые влияют на структуру нуклеиновых кислот и рибосом, регулируют процессы деления клеток. Недостаточное снабжение растений серой тормозит синтез серосодержащих аминокислот и белков, снижает фотосинтез и скорость роста растений, приводит к разрушению хлоропластов. Симптомы дефицита серы - побледнение и пожелтение молодых, а затем и старых листьев.
Калий
Калий поглощается растениями в виде катиона. Его содержание в растениях составляет, в среднем, 0,9 %. Концентрация калия высока в огурцах, томатах и капусте, но особенно много его в подсолнечнике. В растениях калий больше сосредоточен в молодых растущих тканях. Около 80 % калия содержится в вакуолях и 1 % калия прочно связан с белками митохондрий и хлоропластов. Калий стабилизирует структуру этих органелл.
Калий участвует в создании разности электрических потенциалов между клетками. Он нейтрализует отрицательные заряды неорганических и органических анионов. Калий в значительной мере определяет коллоидные свойства цитоплазмы, так как способствует поддержанию состояния гидратации коллоидов цитоплазмы, повышая ее водоудерживающую способность. Тем самым калий увеличивает устойчивость растений к засухе и морозам. Калий необходим для работы устьичного аппарата. Известно более 60 ферментов, активируемых калием. Он необходим для включения фосфата в органические соединения, реакций переноса фосфатных групп, участвует в синтезе рибофлавина - компонента всех флавиновых дегидрогеназ. Под влиянием калия увеличивается накопление крахмала в клубнях картофеля, сахарозы в сахарной свекле, целлюлозы, гемицеллюлоз и пектиновых веществ в клеточной стенке, что приводит к повышению устойчивости соломины злаков к полеганию, а у льна и конопли повышает качество волокна.
При недостатке калия он может заменяться натрием, но некоторые активируемые калием ферменты ингибируются натрием. При недостатке калия листья желтеют снизу вверх - от старых к молодым. Их края и верхушки приобретают бурую окраску, иногда с красными пятнами, затем происходит отмирание этих участков. Снижается функционирование камбия, нарушается развитие сосудистых тканей, уменьшается толщина кутикулы и стенок эпидермальных клеток, тормозятся процессы деления и растяжения клеток, что приводит к появлению розеточных форм растений. Недостаток калия вызывает остановку развития и гибель верхушечных почек, в результате чего активируется рост боковых побегов и растение принимает форму куста.
Кальций
В почве содержится много кальция и кальциевое голодание встречается редко, например, при сильной кислотности или засоленности почв и на торфяниках. Общее содержание кальция у разных видов растений составляет 5-30 мг на 1 г сухой массы. Много кальция содержат бобовые, гречиха, подсолнечник, картофель, капуста, гораздо меньше - зерновые, лен, сахарная свекла. В тканях двудольных растений кальция больше, чем у однодольных.
Кальций накапливается в старых органах и тканях. Это связано с тем, что реутилизация кальция затруднена, так как он из цитоплазмы переходит в вакуоль и откладывается в виде нерастворимых солей щавелевой, лимонной и других кислот.
В растениях имеется два запасных пула ионов кальция: внеклеточный (апопластный) и внутриклеточный в вакуоле и эндоплазматическом ретикулуме. Большое количество кальция связано с пектиновыми веществами срединной пластинки и клеточной стенки. Он содержится также в хлоропластах, митохондриях и ядре в комплексах с биополимерами в виде неорганических фосфатов и в форме иона.
Взаимодействуя с отрицательно заряженными группами фосфолипидов, кальций стабилизирует клеточные мембраны. При недостатке кальция увеличивается проницаемость мембран и нарушается их целостность. Изменения концентрации кальция в цитоплазме играют важную роль в структурных перестройках компонентов цитоскелета - актиноподобных белков, участвующих в процессах движения цитоплазмы, обратимых изменениях ее вязкости, в пространственной организации цитоплазматических ферментных систем. Процессы сборки-разборки микротрубочек регулируются уровнем ионов кальция наряду с ионами магния и гуанозинтрифосфата. Кальций активирует ряд ферментов, способствуя агрегации субъединиц, служа мостиком между ферментом и субстратом, влияя на состояние аллостерического центра фермента. Избыток кальция в ионной форме угнетает окислительное и фотофосфорилирование.
Кальций используется в растительных клетках как вторичный посредник для контролирования многих процессов (закрытие устьиц, тропизм, рост пыльцевых трубок, акклиматизация к холоду, экспрессия генов, фотоморфогенез).
Регулирующее действие кальция на многие стороны метаболизма зависит от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция белком кальмодулином. Это кислый с изоэлектрической точкой при рН 3,0-4,3 термостабильный низкомолекулярный (мол. масса 16,7 кДа) белок. Он обладает большим сродством к кальцию. Его комплекс с кальцием активирует многие ферменты, например, протеинкиназы (фосфорилирование белков), фосфоэстеразу, транспортную Са2+-АТФазу и другие. Кальмодулин может связываться с мембранами в клетке и легко переходит в цитозоль. Влиянием кальция на сборку и разборку элементов цитоскелета объясняет его необходимость для митоза, так как комплекс кальция с кальмодулином регулирует сборку микротрубочек веретена. Кальций участвует в слияниии везикул Гольджи при формировании новой клеточной стенки.
При недостатке кальция у делящихся клеток не образуются клеточные стенки и образуются многоядерные меристематические клетки. Недостаток кальция вызывает прекращение образования боковых корней и корневых волосков, приводит к набуханию пектиновых веществ, что вызывает ослизнение клеточных стенок и разрушение клеток. Также нарушается структура плазмалеммы и мембран клеточных органелл. Симптомами дефицита кальция является побеление с последующим почернением кончиков и краев листьев. Листовые пластинки искривляются и скручиваются. На плодах, в запасающих и сосудистых тканях появляются некротические участки.
Магний
Недостаток в магнии растения испытывают на песчаных и подзолистых почвах. Много магния в сероземах, черноземы занимают промежуточное положение. Водорастворимого и обменного магния в почве 3-10 %. Магний поглощается растением в виде иона Mg2+. При снижении рН почвенного раствора магний поступает в растения в меньших количествах. Кальций, калий, аммоний и марганец действуют как конкуренты в процессе поглощения магния растениями.
У высших растений среднее содержание магния составляет 0,02-3 %. Особенно много его в растениях короткого дня - кукурузе, просе, сорго, а также в картофеле, свекле и бобовых. Много магния в молодых клетках, а также в генеративных органах и запасающих тканях.
Около 10-12 % магния находится в составе хлорофилла. Магний необходим для синтеза протопорфирина IX - непосредственного предшественника хлорофиллов. Магний активирует ряд реакций переноса электронов при фотофосфорилировании, он необходим при передаче электронов от фотосистемы I к фотосистеме II. Магний является кофактором почти всех ферментов, катализирующих перенос фосфатных групп. Это связано со способностью магния к комплексообразованию.
Магний необходим для многих ферментов гликолиза и цикла Кребса. Для 9 из 12 реакций гликолиза требуется участие металлов-активаторов и 6 из них активируются магнием. За исключением фумаразы, все ферменты цикла Кребса активируются магнием или содержат его как компонент структуры. Для двух из семи (глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа и транскетолаза) ферментов пентозофосфатного пути необходим магний. Он требуется для работы ферментов молочнокислого и спиртового брожения. Магний усиливает синтез эфирных масел, каучука, витаминов А и С. Ионы магния необходимы для формирования рибосом и полисом, связывая РНК и белок, активации аминокислот и синтеза белка. Он активирует ДНК- и РНКполимеразы, участвует в формировании пространственной структуры нуклеиновых кислот.
Недостаток магния приводит к уменьшению содержания фосфора в растении, даже если фосфаты в достаточных количествах имеются в питательном субстрате. При недостатке магния тормозится превращение моносахаров в крахмал, слабо функционирует механизм синтеза белков, нарушается формирование пластид: матрикс хлоропластов просветляется и граны слипаются, ламеллы стромы разрываются и не образуют единой структуры. При магниевом голодании между зелеными жилками появляются пятна и полосы светло-зеленого, а затем желтого цвета. Края листовых пластинок приобретают желтый, оранжевый, красный или темно-красный цвет и такая как бы мраморная окраска наряду с хлорозом служит характерным симптомом нехватки магния. Признаки магниевой недостаточности сначала появляются на старых листьях, а затем распространяются на молодые листья.
Кремний
Он обнаружен у всех растений. Особенно много его в клеточных стенках. Растения, накапливающие кремний, имеют прочные стебли. Недостаток кремния задерживает рост злаков (кукуруза, овес, ячмень) и двудольных растений (огурцы, томаты, табака, бобы). Исключение кремния во время репродуктивной стадии уменьшает количество семян, при этом снижается число зрелых семян, и нарушается ультраструктура клеточных органелл.
Микроэлементы
Железо. Среднее содержание железа в растениях составляет 20-80 мг на 1 кг сухой массы. Ионы Fe3+ почвенного раствора восстанавливаются редокс-системами плазмалеммы клеток ризодермы до Fe2+ и в такой форме поступают в корень.
Железо необходимо для функционирования основных редокс-систем фотосинтеза и дыхания, синтеза хлорофилла, восстановления нитратов и фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями, входя в состав нитратредуктазы и нитрогеназы. Поэтому недостаточное поступление железа в растения в условиях переувлажнения и на карбонатных почвах приводит к снижению интенсивности дыхания и фотосинтеза и выражается в пожелтении (хлорозе) листьев и быстром их опадении.
Марганец в клетки поступает в форме ионов Mn2+. Среднее его содержание составляет 1 мг на 1 кг сухой массы. Марганец накапливается в листьях. Он необходим для фоторазложения воды с выделением кислорода и восстановления углекислого газа при фотосинтезе. Марганец способствует увеличению содержания сахаров и их оттоку из листьев. Два фермента цикла Кребса - малат- и изоцитратдегидрогеназы - активируются ионами марганца. Он также необходим для функционирования нитратредуктазы при восстановлении нитратов. Марганец является кофактором РНКполимеразы и ауксиноксидазы, разрушающей фитогормон 3-индолилуксусную кислоту.
Характерный симптом марганцевого голодания - точечный хлороз листьев, когда между жилками появляются желтые пятна, а затем клетки в этих участках отмирают.
Молибден. Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых (0,5-20 мг на 1 кг сухой массы), злаки содержат от 0,2 до 2 мг на кг сухой массы. Он поступает в растения в форме аниона МоО2-4, концентрируется в молодых, растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе сосредоточен, в основном, в хлоропластах.
Молибден входит в состав нитратредуктазы и нитрогеназы, а также необходим для биосинтеза легоглобина. Как металл-активатор молибден участвует в реакциях аминирования и переаминирования, для включения аминокислот в пептидную цепь, работы таких ферментов как ксантиноксидаза и различных фосфатаз.
При недостатке молибдена в тканях накапливается большое количество нитратов, не развиваются клубеньки на корнях бобовых, тормозится рост растений, наблюдаются деформации листовых пластинок. При высоких дозах молибден токсичен. При недостатке молибдена молодые листья по краям приобретают серую, а затем коричневую окраску, теряют тургор, а затем ткани листа отмирают и остаются только жилки в виде хлыстиков.
Кобальт. Среднее содержание кобальта в растениях 0,02 мг на 1 кг сухой массы. Кобальт необходим бобовым растениям для обеспечения размножения клубеньковых бактерий. В растениях кобальт встречается в ионной форме и в витамине В12. Растения не вырабатывают этот витамин. Он синтезируется бактероидами клубеньков бобовых растений и участвует в синтезе метионина в бактероидах. При старении клубеньков и прекращении фиксации азота витамин выходит в цитоплазму клеток клубеньков. Наряду с магнием и марганцем кобальт активирует фермент гликолиза фосфоглюкомутазу и фермент аргиназу, гидролизующий аргинин.
Внешние признаки недостатка кобальта сходны с признаками азотного голодания.
Медь поступает в клетки в форме иона Сu2+. Среднее содержание меди в растениях 0,2 мг на кг сухой массы. Около 70 % всей меди, находящейся в листьях, сосредоточены в хлоропластах и почти половина ее в составе пластоцианина - переносчика электронов между фотосистемами II и I. Она входит в состав ферментов, катализирующих окисление аскорбиновой кислоты, дифенолов и гидроксилирование монофенолов - аскорбатоксидазы, полифенолоксидазы, ортодифенолоксидазы и тирозиназы. Два атома меди функционируют в цитохромоксидазном комплексе дыхательной цепи митохондрий. Медь входит в состав нитратредуктазного комплекса и влияет на синтез легоглобина. Для биосинтеза этилена также необходим медьсодержащий фермент. Влияя на содержание в растениях ингибиторов роста фенольной природы медь повышает устойчивость растений к полеганию. Она также повышает засухо-, морозо- и жароустойчивость. Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения, хлороз, потерю тургора и завядание растений. У злаков при недостатке меди не развивается колос, у плодовых появляется суховершинность. При дефиците меди белеют и отмирают кончики листьев, листья и плоды плодовых деревьев покрываются бурыми пятнами.
Цинк поступает в растение в форме катиона Zn2+. Он необходим для функционирования ряда ферментов гликолиза - гексокиназы, енолазы, триозофосфатдегидрогеназы, альдолазы, а также входит в состав алкогольдегидрогеназы. Цинк активирует карбоангидразу, катализирующую реакцию дегидратации гидрата оксида углерода: Н2СО3 ® СО2 + Н2О, что помогает использованию углекислого газа в процессе фотосинтеза. Цинк участвует в образовании аминокислоты триптофана. Именно с этим связано влияние катионов цинка на синтез белков, а также фитогормона 3-индолилуксусной кислоты, предшественником которой является триптофан. Подкормка цинком способствует увеличению содержания ауксинов в тканях и активирует их рост.
При дефиците цинка у растений нарушается фосфорный обмен: фосфор накапливается в корнях, задерживается его транспорт в надземные органы, замедляется превращение фосфора в органические формы. При недостатке цинка в растениях уменьшается содержание сахарозы и крахмала, увеличивается количество органических кислот и небелковых соединений азота - амидов и аминокислот. Кроме того, в 2-3 раза подавляется скорость деления клеток, что приводит к морфологическим изменениям листьев, нарушению растяжения клеток и дифференциации тканей. Наиболее характерный признак цинкового голодания - это задержка роста междоузлий и листьев, появление хлороза и развитие розеточности.
Бор. Его среднее содержание составляет 0,1 мг на кг сухой массы. В боре наиболее нуждаются двудольные растения. Много бора в цветках. В клетках большая часть бора сосредоточена в клеточных стенках. Бор усиливает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и плодов. Без него нарушается созревание семян. Бор снижает активность некоторых дыхательных ферментов, оказывает влияние на углеводный, белковый и нуклеиновый обмен. При недостатке бора нарушаются синтез, превращения и транспорт углеводов, формирование репродуктивных органов, оплодотворение и плодоношение. Он не может реутилизироваться и поэтому при борном голодании прежде всего отмирают конусы нарастания, останавливается рост побегов и корней, листовые пластинки утолщаются, скручиваются, становятся ломкими, цветки не образуются.
Применение удобрений
В естественных биоценозах поглощенные из почвы соединения частично возвращаются с опавшими листьями, ветками, хвоей. С убранным урожаем сельскохозяйственных растений поглощенные вещества из почвы устраняются. Величина выноса минеральных элементов зависит от вида растения, урожайности и почвенно-климатических условий. Овощные культуры, картофель, многолетние травы выносят больше элементов питания, чем зерновые.
Для предотвращения истощения почвы и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур необходимо внесение удобрений. Сопоставляя количество элементов в почве и растении с величиной урожая Ю. Либих сформулировал закон минимума или закон ограничивающих факторов. Согласно этому закону величина урожая зависит от количества того элемента, который находится в почве в относительном минимуме. Увеличение содержания этого элемента в почве за счет внесения удобрений будет приводить к возрастанию урожая до тех пор, пока в минимуме не окажется другой элемент. Позже было установлено наличие у растений критических периодов по отношению к тому или иному минеральному элементу, то есть периодах более высокой чувствительности растений к недостатку этого элемента на определенных этапах онтогенеза. Это позволяет регулировать соотношение питательных веществ в зависимости от фазы развития и условий среды. Так, известно, что в осенний период для озимых культур не рекомендуется вносить азотные удобрения, так как они усиливают ростовые процессы, снижая устойчивость растений. В осенний период надо проводить подкормки фосфором и калием, а весной азотом.
С помощью удобрений можно регулировать не только величину урожая, но и его качество. Так, для получения зерна пшеницы с высоким содержанием белка надо вносить азотные удобрения, а для получения продуктов с высоким содержанием крахмала (например, зерна пивоваренного ячменя или клубни картофеля) необходимы фосфор и калий. Внекорневая подкормка фосфором незадолго до уборки усиливает отток ассимилятов из листьев сахарной свеклы к корнеплодам и тем самым увеличивает ее сахаристость.
Система удобрений - это программа применения удобрений в севообороте с учетом растений-предшественников, плодородия почвы, климатических условий, биологических особенностей растений, состава и свойств удобрений. Система удобрений создается с учетом круговорота веществ и их баланса в земледелии. Баланс питательных веществ учитывает поступление их в почву с удобрениями, суммарный расход на формирование урожаев и непродуктивные потери в почве. Необходимое условие функционирования системы удобрений - это предотвращение загрязнения окружающей среды вносимыми в почву химическими соединениями.
Удобрения подразделяют на минеральные и органические, промышленные (азотные, калийные, фосфорные, микроудобрения, бактериальные) и местные (навоз, торф, зола), простые (содержат один элемент питания - азотные, калийные, борные) и комплексные (содержат два или более питательных элементов). Среди комплексных удобрений выделяют сложные и комбинированные. Сложные удобрения в составе одного химического соединения содержат два или три питательных элемента, например, калийная селитра (KNO3), аммофос (NH4H2PO4) и другие. Одна гранула комбинированных удобрений включает два или три основных элемента питания в виде различных химических соединений, например, нитроаммофоска.
До посева вносят 2/3 общей нормы удобрений. Они должны обеспечить растение на весь период развития элементами питания и повысить плодородие почвы. Припосевное удобрение в виде хорошо растворимых соединений вносят малыми дозами одновременно с посевом или посадкой растений для обеспечения минерального питания молодых растений. Послепосевные внекорневые подкормки, основанные на способности листьев поглощать минеральные соли в растворе, проводятся для усиления питания растений в наиболее важные периоды их развития.
Лекция 12. Тема: «Рост и развитие растении»
План лекции:
1. Особенности роста клеток 2. Этапы онтогенеза высших растений 3. Дифференцировка и рост растений 4. Регенерация у растений 5. Кинетика ростовых процессов
Несколько слов о терминах, применяемых при изучении роста и развития растений.
Онтогенезом называют индивидуальное развитие организма от зиготы или вегетативного зачатка до естественной смерти. В ходе онтогенеза реализуется наследственная информация организма – его генотип – в конкретных условиях окружающей среды, в результате чего формируется фенотип, то есть совокупность всех признаков и свойств данного индивидуального организма.
Развитие – это качественные изменения в структуре и функциональной активности растения и его частей в процессе онтогенеза. Возникновение качественных различий между клетками, тканями и органами получило название дифференцировки.
Рост – необратимое увеличение размеров и массы клетки, органа или всего организма, обусловленное новообразованием элементов их структур.
Особенности роста клеток
Эмбриональная фаза или митотический цикл клетки делится на два периода: собственно деление клетки (2-3 ч) и период между делениями – интерфаза (15-20 ч). Митоз – это такой способ деления клеток, при котором число хромосом удваивается, так что каждая дочерняя клетка получает набор хромосом, равный набору хромосом материнской клетки. В зависимости от биохимических особенностей различают следующие этапы интерфазы: пресинтетический – G1 (от англ. gap – интервал), синте-тический - S и премитотический - G2. В течение этапа G1 синтезируются нуклеотиды и ферменты, необходимые для синтеза ДНК. Происходит синтез РНК. В синтетический период происходит удвоение ДНК и образование гистонов. На этапе G2 продолжается синтез РНК и белков. Репликация митохондриальной и пластидной ДНК происходит на протяжении всей интерфазы.
Фаза растяжения. Прекратившие деление клетки переходят к росту растяжением. Под действием ауксина активируется транспорт протонов в клеточную стенку, она разрыхляется, ее упругость повышается и становится возможным дополнительное поступление воды в клетку. Происходит рост клеточной стенки из-за включения в ее состав пектиновых веществ и целлюлозы. Пектиновые вещества образуются из галактуроновой кислоты в везикулах аппарата Гольджи. Везикулы подходят к плазмалемме и их мембраны сливаются с ней, а содержимое включается в клеточную стенку. Микрофибриллы целлюлозы синтезируются на наружной поверхности плазмалеммы. Увеличение размеров растущей клетки происходит за счет образования большой центральной вакуоли и формирования органелл цитоплазмы.
В конце фазы растяжения усиливается лигнификация клеточных стенок, что снижает ее упругость и проницаемость, накапливаются ингибиторы роста, повышается активность оксидазы ИУК, снижающей содержание ауксина в клетке.
Фаза дифференцировки клетки. Каждая клетка растения содержит в своем геноме полную информацию о развитии всего организма и может дать начало формированию целого растения (свойство тотипотентности). Однако, находясь в составе организма, эта клетка будет реализовать только часть своей генетической информации. Сигналами для экспрессии только определенных генов служат сочетания фитогормонов, метаболитов и физико-химических факторов (например, давление соседних клеток).
Фаза зрелости. Клетка выполняет те функции, которые заложены в ходе ее дифференцировки.
Старение и смерть клетки. При старении клеток происходит ослабление синте-тических и усиление гидролитических процессов. В органеллах и цитоплазме образуются автофагические вакуоли, разрушаются хлорофилл и хлоропласты, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, ядрышко, набухают митохондрии, в них снижается число крист, вакуолизируется ядро. Гибель клетки становится необратимой после разрушения клеточных мембран, в том числе и тонопласта, выхода содержимого вакуоли и лизосом в цитоплазму.
Старение и смерть клетки происходит в результате накопления повреждений в генетическом аппарате, клеточных мембранах и включения генетической програмированной клеточной смерти – PCD (programmed cell death), аналогичной апоптозу у клеток животных.
Материал подготовил: Алексей Степанов, эколог
Прежде чем перейти непосредственно к азотным удобрениям, нужно понимать, что важнейшим источником азота в питании растений, прежде всего, является сама почва . Обеспеченность растений почвенным азотом в конкретных условиях различных почвенно-климатических зон неодинакова. В этом отношении наблюдается тенденция к возрастанию ресурсов почвенного азота в направлении от более бедных почв подзолистой зоны к относительно обеспеченным азотом мощным и обыкновенным черноземам. Крайне бедны азотом легкие песчаные и супесчаные почвы.
Главные запасы азота в почве сосредоточены в её гумусе, содержащем около 5% азота. Поэтому, чем выше содержание в почве гумуса и чем мощнее пропитанный им слой почвы, тем лучше и обеспечение урожая азотом. Гумус – весьма стойкое вещество; и его распад микроорганизмами с выделением минеральных солей протекает крайне медленно. Поэтому лишь около 1% азота в почве от общего его содержания представляется воднорастворимыми минеральными соединениями, доступными растениям.
Органический азот почвы доступен растениям только после его минерализации – процесса, осуществляемого почвенными микроорганизмами, использующими органическое вещество почвы в качестве источника энергии. Интенсивность минерализации органического азота также зависит от физико-химических свойств почв, условий влажности, температуры, аэрации и т.п.
Также азот может поступать из атмосферы с осадками и непосредственно из воздуха, с помощью так называемых азотофиксаторов: некоторые бактерии, грибки и водоросли. Но этого азота сравнительно мало, и он может играть роль в азотном питании в результате накопления за долгие годы на непахотных и целинных землях.
Не все органические вещества растений содержат в своем составе азот. Его нет, например, в самом распространенном соединении – клетчатке, отсутствует он в сахарах, крахмале, маслах, которые синтезирует растение. Но в составе аминокислот и образующихся из них белков обязательно имеется азот. Входит он и в нуклеиновые кислоты, вторые по важности вещества любой живой клетки, представляющие особое значение для построения белков и несущие наследственные признаки организма. Живые катализаторы – ферменты — тоже белковые тела. Азот содержится в хлорофилле, без которого растения не могут усваивать солнечную энергию. Азот входит в липоиды, алкалоиды и многие другие органические соединения, возникающие в растениях.
Из вегетативных органов больше всего азота имеют молодые листья, но по мере старения азот передвигается во вновь появляющиеся молодые листья и побеги. В дальнейшем, после опыления цветков и завязывания плодов, происходит все более и более выраженное передвижение соединений азота в репродуктивные органы, где они и накапливаются в форме белков. Вегетативные органы к моменту созревания семян оказываются значительно обедненными азотом.
Но если растения получают избыточное азотное питание, то его накапливается много во всех органах; при этом наблюдается бурное развитие вегетативной массы, что затягивает созревание и может снижать долю желаемых продуктов в общем урожае возделываемой культуры.
Нормальное азотное питание не только повышает урожай, но и улучшает его качество. Это выражается в увеличении процента белка и содержания более ценных белков.
Нормально обеспеченные азотом культуры быстро растут, их листья отличаются интенсивным темно-зеленым цветом и большими размерами. Напротив, недостаток азота задерживает рост всех органов растения, листья имеют светло-зеленую окраску (мало хлорофилла, который не образуется из-за слабой обеспеченности растения азотом) и нередко бывают мелкими. Урожай падает, в семенах снижается содержание белков. Поэтому, при недостатке органического азота в почве, необходимость обеспечения нормально азотного питания растений с помощью удобрений является очень важной задачей для земледелия.
При внесении азотных удобрений повышается урожай практически всех культур. Азотные удобрения в сельском хозяйстве и огородничестве применяются повсеместно: для овощных культур, для , для плодово-ягодных культур, плодовых деревьев, кустарников, винограда, земляники, декоративных растений, цветов ( , пионы, тюльпаны и др.), также используют для рассады и газонов.
Все значения приведены без учета процентного содержания азота в каждом виде удобрения, для пересчета на удобрения, необходимо разделить на процентное содержания азота в удобрении и умножить на 100.
К азотным удобрениям относятся минеральные удобрения и органические, сначала рассмотрим минеральные азотные удобрения.
Весь ассортимент производства азотных удобрений можно объединить в 3 группы:
Кроме этого, выпускаются удобрения, содержащие азот одновременно в аммиачной и нитратной форме (например, аммиачная селитра).
Основной ассортимент производства азотных удобрений:
| Вид азотного удобрения | Содержание азота |
|---|---|
| Аммиачные | |
| Аммиак безводный | 82,3% |
| Аммиачная вода | 20,5% |
| Сульфат аммония | 20,5-21,0% |
| Хлористый аммоний | 24-25% |
| Нитратные | |
| Натриевая селитра | 16,4% |
| Кальциевая селитра | 13,5-15,5% |
| Аммиачно-нитратные | |
| Аммиачная селитра | 34-35% |
| Известково-аммиачная селитра | 20,5% |
| Аммиакаты на основе аммиачной селитры | 34,4-41,0% |
| Аммиакаты на основе кальциевой селитры | 30,5-31,6% |
| Сульфонитрат аммония | 25,5-26,5% |
| Амидные | |
| Цианамид кальция | 18-21% |
| Мочевина | 42,0-46,2% |
| Мочевина-формальдегид и метилен-мочевина (медленно действующие) | 38-42% |
| Аммиакаты на основе мочевины | 37-40% |
Использование азотных удобрений часто необходимо в комплексе с фосфорными и удобрениями. Например, существует смесь аммиачной селитры, суперфосфата и костной или доломитовой муки. Однако в разные фазы развития растения, ему необходимы различные соотношения удобрений. Например, в период цветения, избыток азота может только ухудшить конечный урожай.
Естественно растению необходимы эти три самых важных элемента питания, однако существуют и другие макро и микроэлементы, необходимые для оптимального развития растения. Так что азотно-фосфорно-калийные удобрения — это не панацея.
Ниже приведена классификация минеральных азотных удобрений:
(NH4NO3) высокоэффективное удобрение, содержит около 34-35% азота. Может быть применена как для основного внесения, так и для подкормок. Аммиачная селитра — безбалластное удобрение, особенно эффективна на слабоувлажненных территориях, когда наблюдается большая концентрация почвенного раствора. На переувлажненных территориях, аммиачная селитра менее эффективна, возможно вымывание её в грунтовые воды с осадками. На легких песчаных почвах не следует вносить удобрение с осени.
Мелкокристаллическая аммиачная селитра быстро слеживается, следовательно её необходимо хранить в помещении, недоступном для влаги и в водонепроницаемой ёмкости. Необходимо измельчать перед внесением в почву, чтобы не создавать очагов повышенной концентрации удобрения.
При смешивании с необходимо добавить к смеси около 15% нейтрализующего вещества, таким веществом может служить мел, мелкая известь, доломит. При заготовке смеси необходимо к суперфосфату сначала добавить нейтрализующее веество.
Сама по себе аммиачная селитра за счет своего действия повышает кислотность почвы. Влияние в начале использования может быть незаметно, но в перспективе кислотность будет увеличиваться. Поэтому рекомендуем добавлять нейтрализующее вещество к аммиачной селитре на 1 кг около 0,7 кг нейтрализующего вещества, типа мела, извести, доломита, последний особенно хорош на легких песчаных почвах, так как содержит магний.
В данный момент чистая аммиачная селитра не встречается в розничной продаже, а существуют уже готовые смеси. Исходя из вышесказанного, хорошим вариантом является смесь 60% аммиачной селитры и 40% нейтрализующего вещества, в такой смеси получается около 20% азота.
Сульфат аммония (NH4)2SO4 в нём содержится около 20,5% азота.
Азот сульфата аммония является доступным растениям и хорошо закрепляется в почве, так как содержит азот в виде катиона, который менее подвижен в почвенном растворе. Поэтому это удобрение можно применять и осенью, не боясь больших потерь азота за счет вымывания в нижние горизонты или грунтовые воды. Очень хорошо подходит для основного внесения, но также подойдет и для подкормок.
Оказывает подкисляющее действие, поэтому как и в случае с аммиачной селитрой, необходимо добавлять на 1 кг 1,15 кг нейтрализующего вещества: мела, мелкой извести, на легких песчаных почвах доломита.
По сравнению с аммиачной селитрой, мало увлажняется, менее требователен к условиям хранения. Однако не следует смешивать с щелочными удобрениями, такими как зола, томасшлак, гашеная известь, потому что возможны потери азота.
По результатам научных исследований сульфат аммония даёт отличные результаты при использовании его под картофель.
Сульфонитрат аммония – аммиачно-нитратное удобрение, соержит около 26% азота, 18% в аммиачной и 8% в нитратной форме. Сплав аммиачной селитры и сульфата аммония. Потенциальная кислотность высокая. На подзолистых почвах, требуются такие же меры предосторожности, как и в случае аммиачной селитры.
Хлористый аммоний (NH4Cl) – белый или желтый порошок, мелкокристаллический, содержит около 25% азота. Хлористый аммоний обладает хорошими физическими свойствами: практически не слеживается, хорошо рассеивается, закрепляется в почве. Азот хлористого аммония легко доступен растениям.
Однако это удобрение имеет один существенный недостаток: на 100 кг азота в почву поступает около 250 кг хлора , который наносит вред растениям. Следовательно, применять данное удобрение можно только основным способом и осенью, чтобы вредный хлор спустился в нижележащие горизонты, однако при таком способе в любом случае неизбежны потери азота. Хлористый аммоний целесообразно применять на почвах, богатых основаниями.
Натриевая селитра (NaNO3) — высокоэффективное удобрение, представляет собой прозрачные кристаллы, содержание азота около 16%. Натриевая селитра очень хорошо усваивается растениями, щелочное удобрение, что даёт преимущество перед аммиачными видами удробрений, при использовании на кислых почвах. Нельзя вносить натриевую селитру осенью
, потому что произойдет существенное вымывание азота из удобрения в грунтовые воды. Натриевая селитра очень хорошо подходит для подкормок и использования при посеве. Научные исследования показывают, что натриевая селитра дает отличные результаты при её применении на свёкле.
Кальциевая селитра (Ca(NO3)2) – содержит сравнительно немного азота, около 15%. Отлично подходит для почв нечерноземной зоны, так как является щелочным. При систематическом применении кальциевой селитры, свойства кислых подзолистых почв улучшаются. Удобрение требовательно к хранению, быстро увлажняется и слеживается, перед применением необходимо измельчать.
(CO(NH2)2) – высокоэффективное безбалластное удобрение, содержит 46% азота. Вы можете встретить такое название как карбамид – это второе название мочевины. Мочевина разлагается в почве постепенно, однако достаточно подвижна, и заделывать осенью не рекомендуется. Потенциальная кислотность близка к аммиачной селитре, так что при применении на кислых почвах, необходимо применять нейтрализующие вещества. Мочевина разлагается в почве под действие фермента уреазы, который находит в достаточном количестве практически во всех почвах. Однако если вы используете минеральные удобрения в комплексе с органическими, то данной проблемы возникать не будет.
Мочевина является отличным удобрением для внекорневой подкормки. По сравнению с аммиачной селитрой, она не обжигает листья и даёт отличные результаты. Для основного внесения весной и подкормок мочевина также подойдёт отлично, однако цена 1 кг азота мочевины будет больше 1 кг азота аммиачной селитры.
При производстве гранулированного карбамида, появляется вредное для растений вещество – биурет. Его содержание не должно превышать 3%.
Преимуществами жидких удобрений являются:
Недостатки жидких удобрений:
Жидкий аммиак (NH3) – газ с резким запахом, имеет около 82% азота. Быстро испаряется, при соприкосновении с другими телами, охлаждает их. Имеет сильное давление пара. Для успешного применения необходимо заделывать в почву на глубину не менее 8 см , чтобы удобрение не улетучивалось. Также существует аммиачная вода — результат растворения жидкого аммиака в воде. Содержит около 20% азота.
Азот в небольшом количестве (0,5-1%) содержат все виды навоза, (1-2,5%) больше всего в процентном соотношении в утином, курином и голубином помете, но он также и самый токсичный.
Природные органические азотные удобрения можно сделать и своими руками: компостные кучи (особенно на ) содержат некоторое количество азота (до 1,5%), компост из бытового мусора также содержит до 1,5 % азота. Зеленая масса (люпин, донник, вика, клевер) содержат около 0,4-0,7% азота, зеленая листва содержит 1-1,2%, озерный ил (1,7-2,5%).
Однако использование органических удобрений как единственного источника азота нерационально , так как это может ухудшить качество почвы, например подкислить её, и не создаст необходимого азотного питания растениям. Рациональным все же является использование комплекса минеральных азотных удобрений и органических.
Содержание азота в земной коре, по данным А.П. Виноградова, составляет 2,3*10 -2 весовых процента, а общие запасы исчисляются десятками млрдов. тонн. Основная часть азота почвы находится в виде сложных высокомолекулярных органических соединений. Некоторая часть азота земной коры находится в виде необменнопоглощенных ионов аммония и удерживается в кристаллической решетке алюмосиликатных минералов.
В пахотном слое разных почв количество азота колеблется в широких пределах; в дерново-подзолистых, песчаных и супесчаных почвах 0,04 0,08%, суглинистых и глинистых 0,1 0,15%. Серые лесные и черноземные почвы наиболее богаты общим азотом (0,3 0,5% и более). В каштановых почвах его количество колеблется от 0,1 (в светло-каштановых и бурых) до 0,2-0,25% (в темно-каштановых).
Азот в почвах находится преимущественно в недоступной растениям органической форме, минерального азота в них всего около 1% от общего. Под влиянием биологических процессов органический азот частично переходит в легкоусвояемые растениями минеральные формы. Распад азотных органических веществ почвы до аммиака (аммонификация) осуществляется аэробными и анаэробными микроорганизмами. Аммиак, накапливающийся в анаэробных условиях, поглощается почвенными коллоидами к может усваиваться растениями. В аэробных условиях аммиак под влиянием специфических микроорганизмов переходит в нитриты и затем окисляется до нитратов (нитрификация). Интенсивность минерализации органического вещества в разных почвах неодинакова, нитратный азот хорошо доступен растениям. Некоторое количество минерального азота поступает в почву с осадками. Атмосферный азот усваивается также отдельными микроорганизмами, живущими свободно, и клубеньковыми бактериями бобовых растений. Однако эта величина прихода азота в почву относительно невелика.
В почвах одновременно с минерализацией органических азотсодержащих веществ идет процесс перехода минеральных соединений азота в органические, недоступные растениям формы. Кроме того, содержание минерального азота в почве уменьшается а результате денитрификации, развивающейся в анаэробных условиях. При этом нитратный азот восстанавливается микроорганизмами до свободного газообразного азота, который теряется из почвы. Азот теряется также в результате вымывания нитратов, особенно из легких почв, осадками и дренажными водами.
Исследованиями ВИУА и Почвенным институтом имени В. В. Докучаева установлено, что 35 55% азота в зависимости от формы вносимого удобрения усваивается сельскохозяйственными культурами на дерново-подзолистых и серых лесных почвах, 25 45% закрепляется в почве и 0,1% теряется при вымывании, что не имеет существенного значения в азотном балансе тяжелосуглинистых почв. С помощью 15N установлено горизонтальное перемещение азота в почве и концентрация его в прикорневой зоне. Прогнозирование действия азотных удобрений на основе агрохимического анализа почв пока еще не дает ощутимых результатов. Соответствия между показателями отдельных методов и фактической прибавки урожаев не наблюдалось. Трудности в определении подвижного азота связаны с тем, что доступность его растениям определяют не только свойства самой почвы, но также погодные условия и агротехника. Обеспеченность растений азотом в значительной степени зависит от сезонной динамики процессов аммонификации и нитрификации, что может обусловить на одной и той же почве резкие различия в снабжении сельскохозяйственных культур этим элементом. Поэтому нет возможности дать характеристику почв по содержанию подвижного азота на основе данных массовых анализов, как по содержанию подвижных соединений фосфора и калия.
Преобладающая часть почвенного азота (95-98%) находится вместе с углеродом в составе органического вещества. Органический азот в почве, обладая достаточной устойчивостью, поддерживает ее плодородие, оставаясь недоступным растениям. В связи с этим немецкий ученый Шульц писал: «Если не говорить о воде, то именно азот является самым могучим двигателем в процессах развития, роста и творчества природы. Его уловить, им овладеть задача, его сберечь ключ к экономике, подчинить себе его источник, бьющий с неистощимой энергией тайна благосостояния».
Органический азот почв составляет основную долю азотного фонда пчв, представлен сложными разнообразными соединениями. Господствующая часть органического азота (82-89% от общего) входит в собственно гумусовые вещества. Остальная часть азота (3-11%) включена в состав неспецифических соединений (аминокислоты, аминосахара, битумы). В этой же группе находится азот негумифицированных органических веществ (ткани отмерших растений и животных, живая и мертвая масса микроорганизмов). В почвах от 200 до 300 кг/га азота включено в неспецифические органические вещества. Этот азот является основным резервным фондом для минерализации и накопления подвижных минеральных форм азота в процессе аммонификации и нитрификации.
В почвах элювиального ряда его содержание колеблется от 1,5 до 6 т/га, в серых лесных возрастает до 10,5 т/га, а в черноземах достигает 13,5-15 т/га. Трудно- и легкогидролизуемый азот образуется в результате неполного разложения органического материала почвы. Эта форма азота частично доступна для растительного организма. Следовательно, непрерывные циклы созидания и разрушения азотистых веществ приводят к накоплению в почве доступных растениям соединений азота. Основу превращений составляют процессы минерализации и иммобилизации.
Рис. Круговорот азота в природе
Минерализация означает превращение органического азота в минеральный посредством аммонификации и нитрификации. Таким образом, в почве формируются минеральные формы азота: аммонийная, нитритная, нитратная – они легко усваиваются растениями, на них приходится до 5% от общего азота. Начальным процессом минерализации органических соединений является аммонификация распад азотсодержащих органических соединений до аммонийного азота, органических кислот, углекислого газа. Аммонификация осуществляется в широком интервале рН, как в аэробных, так и в анаэробных условиях целым рядом микроорганизмов. Под воздействием протеолитических ферментов, выделяемых различными группами микроорганизмов, белковые вещества гидролизуются до аминокислот. Последние легко усваиваются микроорганизмами и под воздействием ферментов микробных клеток подвергаются процессам дезаминирования. В результате от амино - и амидосоединений отщепляется аммиак и образуются различные органические кислоты, углекислый газ, метан. Ежегодно в процессе аммонификации высвобождается до 2% азота от общих запасов азотсодержащих органических соединений. При этом, если соотношение С:N в субстрате узкое, происходит накопление аммонийного азота в почве, если широкое (солома, опилки), высвобождающийся аммоний тут же потребляется микроорганизмами для построения своего тела. Т. е. проявляется процесс иммобилизации азота трансформация микроорганизмами его минеральных форм в органические вещества микробных клеток и их метаболитов.
Какова судьба аммонийного азота почвы?
Предшественник, возделываемая культура, обработка почвы оказывают слабое влияние на накопление обменного аммония. Существенное влияние на режим обменного аммония оказывают гидротермические условия: при избыточном и недостаточном увлажнении и холодной погоде количество его возрастает.
1. Аммонийный азот легко вовлекается в процессы биологического поглощения, растения могут усваивать до 80% его запасов. Благоприятные условия для этого рН = 6, высокая концентрация ионов K, Ca, Mg.
2. При оптимальных значениях влажности и высокой поглотительной способности весь аммонийный азот по мере появления может удерживаться в почве в обменно-поглощенном состоянии (вовлекается в обменные процессы с почвенным поглощающим комплексом).
3. В определенных условиях возможно необменное поглощение аммонийного азота. При наличии минералов с трехслойным строением кристаллической решетки необменная фиксация может достигать до 5-21%. Присутствие K, Ca уменьшают, а смена условий увлажнения высушивания почв усиливает необменное поглощение аммонийного азота.
4.Большая часть аммонийного азота почвы окисляется до N-NO 3 , N-NO 2 , N-NO и N 2 . Это явление впервые открыл Луи Пастер в XIX веке и назвал нитрификацией. Она осуществляется группой специфических бактерий, для которых это окисление является источником энергии.
Нитрификация осуществляется в 2 этапа. В окислении аммиачных солей до нитритов: 2NH 3 + 3O 2 > 2HNO 2 +H 2 O, принимают участие бактерии родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, а до азотной: 2HNO 2 + O 2 > 2HNO 3 – бактериями рода Nitrobacter. Как видно, нитрификация – аэробный процесс, для ее интенсификации необходимы постоянный источник аммонийного азота и кислорода, оптимальные значения температуры – 20-25 0 С, влажности 60% от полной влагоемкости, рН = 6,2-8,2. Интенсивность минерализации органического вещества в разных типах почв неодинакова. В дерново-подзолистых почвах она протекает интенсивнее, чем на черноземах, где органическое вещество разлагается слабее. Ранней весной нитрификация осуществляется слабо, поскольку в почве содержится избыток влаги, почва слабо прогрета. По мере прогревания, нитрификация активизируется, ее пик приходится на конец июня - начало июля.
Наблюдения за содержанием нитратов в почвах показывает, что накопление этой формы минерального азота определяется потенциальными запасами почвенного плодородия. С повышением содержания гумуса и общего азота от дерново-подзолистых к серым лесным почвами далее к черноземам возрастает накопление нитратного азота. Наибольшей мобизизационной способностью обладают черноземы выщелоченные. В пахотном слое этих почв накапливается более 30 кг азота на гектар. В дерново-подзолистых почвах, несмотря на высокую относительную мобильность азотсодержащих органических соединений, образуется немного нитратов около 10 кг/га, поскольку общее количество гумуса и азота в них низкое.
Содержание нитратного азота во всех почвах четко определяется предшествующей культурой севооборота. Наиболее активно процессы нитрификации развиваются в чистом пару, где в течение лета в черноземах, темно-серых лесных и лугово-черноземных почвах накапливается 120-170 кг/га нитратного азота. Такого количества азота при наличии других элементов питания достаточно для получения урожая зерновых культур в 30-40 ц/га. Роль пара как накопителя нитратов снижается на почвах с небольшим содержанием органического вещества каштановых, светло-серых лесных и дерново-подзолистых почвах. Однако и в этих почвах в паровом поле содержится больше нитратного азота, чем в других полях севооборота.
Значительное накопление нитратного азота после августовской вспашки пласта многолетних трав, после хорошо обрабатываемых пропашных культур, после рано убираемых многолетних трав. По этим предшественникам на высокогумусных почвах обычно нет необходимости в дополнительном внесении азотных удобрений.
В черноземах активность накопления этой формы азота обычно в 2-4 раза выше, чем в дерново-подзолистых и серых лесных почвах. В дерново-подзолистых почвах количество азота возрастает от весны к июлю августу и практически остается неизменным до осени. В черноземных почвах в период июня июля темпы накопления нитратного азота вследствие засушливых условий замедлены: резкий подъем нитратообразования в них наблюдается в увлажненную вторую половину лета (июль-август). Под сельскохозяйственными культурами содержание нитратного азота весьма динамично, поскольку растения используют его в качестве азотной пищи. Количество нитратного азота несколько возрастает после уборки урожая.
Режим нитратного азота в значительной степени определяется способами основной обработки почвы. Сокращение глубины и числа обработок приводит к снижению накопления нитратов.
Основные биохимические этапы миграции и трансформации нитратного азота следующие:
1. Биологическое поглощение. Нитратный азот находится в почвенном растворе в качестве аниона, легко поглощается и усваивается в основном биологическим путем.
2. Денитрификация. В анаэробных условиях бактерии рода Pseudomonas, Denitrifican, Fluorensens, ответственные за процесс денитрификации, восстанавливая нитратный азот до закисных, летучих форм, молекулярного азота на каждом из этапов добывают кислород для дыхания. Этот процесс наиболее интенсивно происходит в условиях парового поля в виду наличия в почве свободных нитратов, анаэробиозиса, щелочной реакции и избытка органического вещества. Активные расы денитрификаторов являются термофильными бактериями, оптимальная температура для них выше 25 0 С.
3. Вымывание вынос нитратного азота в почвенном растворе из корнеобитаемого слоя почвенного профиля. В случае смыкания инфильтрационных вод с грунтовыми этот азот теряется безвозвратно. При глубоком залегании грунтовых вод в последующем возможен подъем нитратного азота восходящим током влаги и по градиенту концентрации.
Эффективность азотного питания обусловливается формами азотных соединений и условиями их применения. В нейтральной среде обычно лучше проявляется действие аммиачного азота, чем нитратного. Калий и натрий способствуют большему поглощению нитратов, кальций и магний обеспечивают лучшее усвоение аммиака растениями. Для синтеза органических веществ растения используют аммиачный азот быстрее, чем азот нитратов. Преимущество аммиачного питания по сравнению с нитратным в том, что аммиачный азот стоит ближе к продуктам синтеза азотсодержащих веществ в растениях. Для синтеза аминокислот требуется восстановленная форма азота. Нитраты, прежде чем стать непосредственными продуктами синтеза аминокислот и белков, должны быть восстановлены внутри растений до аммиачного азота. При наличии достаточного количества углеводов в растениях нитраты восстанавливаются уже в корнях. Процесс ферментативного восстановления нитратов в растениях идет благодаря окислению углеводов. Нитраты восстанавливаются до аммиака с помощью ферментов, которые представляют собой металлофлавопротеиды. Для них необходимы такие элементы, как молибден, медь, железо, марганец, особенно важен молибден.
Аммиачный азот, поступивший в растения или образовавшийся в них в результате восстановления нитратов и нитритов, не накапливается в них. Накопление аммиачного азота может вредить растениям только в молодом возрасте.
В жизни растения большую роль играет процесс образования аминокислот прямым аминированием кетокислот. Аминокислоты способны передавать свои аминные группы кетокислотам; в этом случае протекает реакция переаминирования, т. е. аминогруппа аминокислот переходит в кетокислоту и в результате образуются аминокислоты. Переаминирование особенно важно для синтеза белков а также для процесса дезаминирования аминокислот, когда идет образование кетокислот и аммиака.
Полученные таким образом кетокислоты в растениях участвуют в образовании углеводов, жиров и других веществ. Аммиак принимает участие в образовании аминокислот в результате прямого аминирования кетокислот, которые получаются из углеводов. Кроме того, из аммиака образуются амиды аминодикарбоновых кислот аспарагин и глютамин. В результате этого процесса происходит обезвреживание аммиака при обильном аммиачном питании и при недостатке в растениях углеводов, а также при его накоплении в процессе дезаминирования аминокислот.
В отдельных растениях (щавель, осока, хвощ и др.), в которых накапливается значительное количество органических кислот, аммиак может обезвреживаться благодаря образованию аммонийных солей. Например, взаимодействие аммиака со щавелевой кислотой дает щавелевокислый аммоний. Кроме того, возможно обезвреживание аммиака при образовании в растительных тканях мочевины.
Наряду с синтезом белков в растениях идут процессы их распада через аминокислоты до аммиака. Таким образом, с одной стороны, аммиак, поглощенный растением или образовавшийся в результате восстановления нитратов, служит первичным исходным материалом для синтеза белков, с другой стороны, конечным продуктом распада белков.
Процессы азотного обмена веществ происходят в течение всего роста и развития растений. Характер их зависит от вида и возраста растений, условий среды, в частности условий питания, и других факторов. В молодых растениях синтез белков значительно преобладает над их распадом.
Исследования, осуществленные с помощью изотопа 15 N , показали, что в молодых растениях азот белка обновлялся полностью всего за три дня, а в старых листьях обновлялось лишь около 12% белкового азота за 12 дней. Отношение растений к аммиачному и нитратному питанию зависит от их обеспеченности углеводами. Растения, которые содержат малый запас углеводов в семенах, например, свекла, значительно хуже переносят избыток аммиака, чем нитратов. Картофель, в клубнях которого большой запас углеводов, способен переносить высокие дозы аммиака. Таким образом, для нормального роста и развития растений требуются определенные условия их питания как нитратным, так и аммиачным азотом.
В растения азот поступает неравномерно. В ранние фазы развития растения характеризуются высоким содержанием азота.
В этот период они особенно требовательны к условиям минерального питания. Биологические особенности отдельных растений определяет характер поступления в них питательных элементов. Величина усвоения азота растениями зависит от формы удобрений, температуры, влажности почвы, показателя рН и других условий, но, как правило, не превышает 30-50% (по средним показателям полевых опытов с I5 N).
С понижением температуры наблюдается более сильное снижение поглощения растениями азота окисленных форм удобрений по сравнению с восстановленными. При этом в корнях растений накапливаются нитраты вследствие ингибирования процессов их восстановления и передвижения в надземные органы. В условиях пониженной температуры при аммиачном питании процессы синтеза аминокислот протекают более интенсивно, чем при нитратном, когда больше накапливается углеводов.
На поглощение корнями аммиачных или нитратных ионов влияет также аэрация и величина рН окружающего раствора. С ростом исходного рН поглощение корнями нитратов уменьшается, а аммония возрастает, при любом рН корни больше поглощают NH 4 + , чем NО 3 - . Аэрирование усиливает поглощение ионов аммония и не влияет на поглощение нитратов.
Величина усвоения растениями азота удобрений при низком содержании подвижных форм фосфора и калия меньше на 10 15%, чем при внесении фосфорных и калийных удобрений.
Использование азота удобрений растениями зависит от сроков их применения. Так, на дерново-подзолистой почве при внесении азотных удобрений в фазы выхода в трубку и колошения пшеница использует 45 50% меченого азота, а в фазу молочной спелости не более 10%.
Поглощенный неорганический азот в определенной последовательности включается в синтез азоторганических соединений сначала образуются более простые, затем, более сложные соединения (конституционные и запасные белки). При фосфорном голодании скорость включения азота в азотистые фракции заметно снижается, при этом тормозится его поглощение и передвижение в надземные органы.
В условиях недостатка кислорода нитратный азот используется только в процессе синтеза белка. В аэробных условиях преимущество имеет аммиачный азот, что особенно важно при выборе ассортимента азотных удобрений для почв, обеспеченных в различной степени кислородом.
При внесении в почву азотных удобрений растения лучше и больше усваивают азот самой почвы. Это обусловлено мобилизацией азота органического вещества почвы, в результате чего он становится более доступным растениям. На хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах больше поступает в растения азота из самой почвы, чем на слабоокультуренных, что важно при разработке прогноза эффективности доз удобрений для почв различного уровня плодородия.
Наряду с использованием растениями азота удобрений часть его закрепляется в почве в органической форме, а также теряется в виде газообразных соединений. Такие процессы происходят в основном впервые 20 30 дней, когда азот еще не полностью использован растениями и подвергается интенсивному воздействию гетеротрофных микроорганизмов, а также нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Как правило, закрепление азота в органической форме из нитратных удобрений меньше, чем из аммиачных и мочевины. Потери же, наоборот, возрастают при использовании нитратных удобрений. На кислых почвах, в которых накапливаются нитраты, потери внесенного азота могут достигать 55%. Возможны потери азота при фотоокислении органического вещества, а также благодаря биологической денитрификации. В результате процесса окисления нитрификации аммиака потери азота из почвы наблюдаются даже в нейтральной и слабощелочной среде. Под влиянием негумифицированного органического вещества клетчатки и других углеводов потери азота удобрений из почвы сокращаются в 2-3 раза. При отношении углерода органического вещества к азоту удобрений, равном 30, потери азота удобрений с избытком компенсируются его фиксацией. Один из путей снижения потерь азота применение ингибиторов, избирательно действующих на нитрифицирующие микроорганизмы. Потери азота удобрений снижаются в 1,5-2 раза при внесении их вместе с ингибиторами, причем в 2 раза возрастает закрепление азота в органическом веществе почвы.
Полноценное азотное питание при обеспеченности другими элементами, особенно фосфором и калием, способствует улучшению роста и развития растений. В то же время усиленное азотное питание при недостатке фосфатного и калийного очень часто приводит к неравномерности созревания культур, их полеганию, снижению сопротивляемости к грибным болезням и неблагоприятным климатическим условиям. В таких случаях необходимо обеспечить растения фосфором, калием, а также отдельными микроэлементами. Рациональное применение азотных удобрений на фоне фосфорно-калийных и высокой агротехники обеспечивает оптимальное развитие сельскохозяйственных растений и в результате получение высоких урожаев хорошего качества.
Пути накопления азота в почве следующие:
а) неисчерпаемым источником азота является атмосфера (среди прочих газов атмосферы на молекулярный азот приходится 78%. Однако молекулярный азот, будучи инертным газом, не может непосредственно усваиваться растениями.
б) фиксация молекулярного азота и пополнение запасов его в почве осуществляется двумя путями: под влиянием грозовых разрядов и с помощью определенных микроорганизмов. Под действие электрических и фотохимических реакций при грозах образуются аммиак и окислы азота, которые поступают в почву с атмосферными осадками. По данным А.В.Петербургского (1979), в осадках всегда больше аммонийного, чем нитратного азота, и общий приход его достигает в среднем около 4кг/га*год.
в) Гораздо большее значение в обогащении почв азотом имеет биологическая фиксация атмосферного азота свободноживущими микроорганизмами, сине-зелеными водорослями и клубеньковыми бактериями. Потенциальные возможности симбиотических и несимбиотических свободноживущих азотфиксаторов неравноценны. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы способны при благоприятных условиях ассимилировать 10-15 кг/га*год связанного азота. Клубеньковые бактерии поглощают значительно больше азота из атмосферы. По данным Д.Н.Прянишникова (1945), ежегодно на 1 га люцерна накапливает 300(до 500-600), клевер 150-160 (до 250-300), люпин до 150, соя до 100, вика, горох- 50-60 кг азота. Количество фиксированного азота зависит от вида бобового растения Ph почвенного раствора, величины урожая. Наиболее активно азотфиксация осуществляется в фазу цветения бобовых культур.
г) В связи с развитием химизации земледелия существенная роль в обогащении почв азотом принадлежит так называемому «техническому азоту».
а) Аммонийный и нитратный азот легко вовлекается в процессы биологического поглощения, поэтому значительное их количество выносится с урожаем полевых растений.
б) Газообразные потери аммонийного азота, которые происходят из хорошо аэрируемой почвы при ее периодическом высыхании и увлажнении.
в) вынос аммонийного азота в составе почвенных коллоидов при эрозионных процессах, количество которого определяется массой смытой почвы и содержанием аммония в ней.
г) вымывание аммонийного и нитратного азота происходит в составе почвенного раствора, а также и аммонийного азота в поглощенном состоянии в коллоидах – мигрантах.
д) денитрификация процесс разрушения нитратного азота и восстановление его до молекулярной формы. При недостатке кислорода, в условиях избытка свежего органического вещества бактерии рода Denitrificator с помощью ферментов нитратредуктазы осуществляют восстановление нитратного азота до молекулярного.
Этот процесс возникает и особенно интенсивно развивается в условиях, когда в почве отсутствует воздух, почва имеет щелочную реакцию и в избытке неразложившееся органическое вещество богатое клетчаткой, глюкозой и другими углеводами. Денитрифицирующие бактерии быстро окисляют органическое вещество, используя для этой цели кислород нитратов. Процесс восстановления нитратов носит эндотермический характер, т.е реакция протекает с затратой энергии.
е) иммобилизация азота вторичные процессы синтеза, когда минеральные соединения азота вновь переходят в органические, не усвояемые для растений. Эти процессы носят биологический характер. Микроорганизмы строят белок своих тел, используя углеводы и азот. Различные бактерии, актиномицеты, плесневые грибы разлагают клетчатку, пентозаны и другие вещества растительных и животных остатков. В качестве азотной пищи им необходимы в первую очередь легкорастворимые соединения азота почвы, которые они переводят в белок плазмы клеток. При отмирании бактерий азот снова переходит в форму минеральных соединений аммиака и нитратов.
ж) необменное поглощение аммиачного азота минералами с трехслойным строением кристаллической решетки.
История «путешествий» фосфора на Земле, или, как говорят ученые-геохимики, его миграция, очень интересна и поучительна. Атомы фосфора, как и всех других элементов, постоянно участвуют в великом природном круговороте веществ.
Фосфор относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В таблице распространенности химических элементов в земной коре он стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К тому же фосфор элемент, редко накапливающийся в больших количествах, и потому его относят к числу рассеянных.
В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит (состоит из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ).
Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор биогенный элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.
Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са 5 F(РO 4) 4 или хлорапатит Са 5 Сl(PO 4) 3 . Они содержат от 5 до 36% P 2 O 5 .
Рисунок. Мировое месторождение апатитов в Хибинах
В изверженных породах обычно всегда есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его запасы находятся в зоне магмы, но он встречается и в тех местах, где изверженные породы образуют контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение апатитов находится у нас, на Кольском полуострове, в Хибинах, где оно было открыто в 1925 г.
Под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот, выделяемых корнями растений, апатиты постепенно подвергаются выветриванию и вовлекаются в биохимический круговорот, который в отличие от круговорота азота, углерода, кислорода и серы ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает атмосферы.
Растениями фосфор поглощается только из растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь при наличии в почвенном растворе солей фосфорной кислоты, например Са(Н 2 РО 4) 2 , СаНРО 4 , К 2 НРО 4 и др. Скапливается он главным образом в продуктовых частях семенах, плодах. Наиболее богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и человека.
В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора (1,4 кг в костях, 130 г в мышечных и 12 г в нервных тканях). Ежесуточная потребность взрослого человека в фосфоре от 1 до 1,2 г. Дети больше нуждаются в фосфоре, чем взрослые. По подсчетам ученых, с каждым куском хлеба весом 100 г человек поглощает до 1022 атомов фосфора, т.е. такое астрономическое число, которое не только невозможно представить, но даже и выразить обычными словами. Больше всего его содержится в костях (свыше 5%). Твердость скелету придает кальциевая соль фосфорной кислоты. Очень много фосфора в зубах (в дентине 13%, а в зубной эмали 17%). При недостатке фосфора у животных появляется заболевание костей.
При разложении богатых фосфором органических соединений могут образоваться газообразные и жидкие вещества. В частности, аналогично аммиаку может образоваться очень ядовитый бесцветный с чесночным запахом газ фосфористый водород, или фосфин, РН3. Этот газ можно получить в лаборатории при кипячении белого фосфора с едким кали или при действии соляной кислотой на фосфид кальция: Са 3 Р 2 + 6НСl = 3СаСl 2 + 2РН 3 .
Одновременно с фосфином при этой реакции часто образуется в небольшом количестве жидкий продукт соединения фосфора с водородом дифосфин Р 2 Н 4 , пары которого сами собой воспламеняются при обычной температуре и поджигают газообразный фосфин.
Подобного рода процессы происходят и в природе, являясь причиной появления так называемых «блуждающих огней» на кладбищах. Вспышки фосфина днем, конечно, не бывают видны, но ночью они вызывают суеверный страх у многих людей, которые незнакомы с научным объяснением этого явления. Описание «блуждающих огней» дано в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» Н.В.Гоголем в рассказе «Заколдованное место». Жидкий дифосфин, выделяясь на болотах вместе с метаном, поджигает последний, и тогда возникает новое «чудо» блуждающие болотные огни. Роль подобных процессов в природе относительно незначительна. Наоборот, образование различного рода фосфатов происходит в очень больших масштабах.
Существует несколько объяснений, как могли образоваться громадные накопления фосфатов органического происхождения, поскольку причины, вызывающие этот процесс, различны.
Богатый фосфором птичий помет, известный под названием гуано, в условиях сухого климата скапливается иногда в огромных количествах. Так, например, на островах Тихого океана, в Чили и Перу имеются огромные толщи гуано (до 100 м). Гуано одно из самых эффективных удобрений. Оно содержит до 9% азота и 3% фосфорной кислоты.
Большие скопления помета имеются и в пещерах, где обитают летучие мыши. В процессе различных химических превращений эти вещества постепенно образуют различные минералы (алюмофосфаты, монофосфаты и др.). Образование залежей подобных соединений может произойти и в результате различных геологических катастроф, приводящих к массовой гибели животного мира.
Значительным признанием пользуется так называемая биолитная гипотеза происхождения фосфоритов. Согласно ей их залежи могли образоваться в результате массовой гибели морской фауны при встрече теплого морского течения с холодным: быстрая смена температуры оказывает одинаково гибельное влияние на животных, населяющих воды того и другого течения и не приспособившихся к быстрой смене условий. Гибель животного мира может происходить и при встрече течений с различной степенью содержания солей в их водах, например в дельтах больших рек, впадающих в моря и океаны.
В 1934 г. русский ученый А.В.Казаков опубликовал химическую гипотезу происхождения фосфоритов в морских водах. По этой гипотезе фосфаты, растворенные в морской воде, начинают осаждаться, когда из глубин моря они выносятся на его поверхность. Происходит это вследствие уменьшения кислотности воды (в связи с удалением части углекислоты); растворимость фосфатов в этой среде уменьшается, и тогда избыток их выпадает на дно. Так и образовались мощные залежи фосфоритов, оказывающиеся затем на суше вследствие геологических катастроф или постепенного поднятия морского дна.
Фосфоритовые залежи есть во многих странах. Наиболее известны месторождения в Северной Африке (Египет, Тунис, Алжир, Марокко), в США (Флорида). В России месторождения фосфоритов распространены на Урале, в Поволжье, Московской, Кировской, Смоленской, Брянской, Ленинградской и других областях.
В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ.
Главный же потребитель фосфатов сельское хозяйство. Со времени химика Ю.Либиха земледельцы, поняв значение фосфора для повышения урожая культурных растений, начали отыскивать природные фосфаты (апатиты, фосфориты), превращать их механическим или чаще всего химическим путем в удобрения и вносить в почву.
Важно заметить, что в 100 кг пшеницы находится около 1 кг фосфора (в виде Р 2 О 5). Столько же фосфора содержится в 200 кг сена, 300 кг соломы, 1500 кг зеленых кормов. Можно себе представить, какие громадные количества фосфора уносятся с наших полей вместе с урожаем. Часть его, конечно, возвращается в почву, но фосфор, например, содержащийся в продуктовых частях растений, идущих на промышленную переработку, пропадает. Не обладая бесконечными запасами фосфора, почва вследствие этого процесса постепенно истощается, что приводит к сильному снижению урожая и необходимости восполнения потери фосфора. Культурные растения в большинстве случаев очень благоприятно отзываются на внесение в почву фосфорных удобрений в легкоусвояемой форме.
Рисунок. Круговорот фосфора в природе
Фосфорное удобрение получается также в качестве побочного продукта при переработке богатого фосфором чугуна в сталь при томасовском процессе. Если «грушу», в которой получается сталь по методу Г.Бессемера, выстлать внутри известковой футеровкой, то известь поглотит фосфор из расплавленного чугуна. В этом и состоит сущность предложенного англичанином С.Дж.Томасом процесса, при котором сразу достигаются две цели: получение доброкачественной стали и ценного удобрения. Последнее достигается путем размалывания поглотившей фосфор известковой футеровки. Получаемый таким путем сухой темно-серый порошок, называемый томасшлаком, содержит от 11 до 24% Р 2 О 5 и является высокоэффективным удобрением, особенно на кислых почвах.
Главнейшие процессы, характеризующие круговорот фосфора в природе, изображены на рисунке. Объяснением этого рисунка могут служить следующие слова знаменитого русского геолога и минералога, профессора Я.В.Самойлова, которому принадлежит большая заслуга в деле изучения фосфоритов: «Фосфор наших фосфоритовых месторождений биохимического происхождения. Из апатита минерала, в котором первоначально заключен почти целиком весь фосфор литосферы, элемент этот переходит в тело растений, из растений в тело животных, которые являются истинными концентраторами фосфора. Пройдя через ряд животных тел, фосфор, наконец, выпадает из биохимического цикла и вновь возвращается в мир минеральный. При определенных физико-географических условиях в море происходят массовая гибель животных организмов и скопление их тел на дне морском, а скопления эти приводят к образованию фосфоритовых месторождений в осадочных отложениях. Наши фосфориты биолиты, и если бы можно было шаг за шагом повернуть весь ход испытанных нашими фосфоритами перемещений в обратную сторону, то образцы, заполняющие наши музеи, зашевелились бы... »
Таким образом, основные запасы фосфора сосредоточены в горных породах земной коры, в донных осадках морей и океанов, а также в гумусовом горизонте почвы. Главными источниками поступления фосфора в почву являются материнские породы (60% запасов фосфора находится в минеральной части твердой фазы почвы), органические остатки растительного и животного происхождения, органические и минеральные удобрения. В почвах найдено более 200 различных минеральных соединений фосфора. Преобладающими фосфорсодержащими соединениями в земной коре являются разновидности минерала апатита, главным образом, фторапатита.
Глобальный биогеохимический круговорот большинства биогенных макроэлементов предполагает наличие у них газовых форм. И только фосфор, не имея газовых форм, необратимо вымывается в океан. Возврат элемента в геологическом масштабе осуществляется, когда дно моря становится сушей: основные месторождения фосфатов бывшие донные отложения органического происхождения.
В результате биологического круговорота фосфора в почве накапливаются органические фосфаты , доля которых может достигать до 80% от общего содержания фосфора. Прямым источником органического фосфора являются такие устойчивые соединения, как нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, фосфатиды, фитин и их производные. Выделяют две группы органических фосфатов в почве: неспецифические соединения индивидуальной природы, образующиеся в результате биологического синтеза и фосфогумусовые специфические соединения. Содержание фосфора в составе специфических гумусовых веществ составляет (в %): в серых лесных почвах 1,78- 2,46; в черноземе обыкновенном -0,9-1,27; в черноземе выщелоченном -1,1-1,43; в темно-каштановой -0,97-1,3. В почве одновременно протекают разнонаправленные процессы. Происходят иммобилизация органическим веществом фосфора почвенного раствора и минерализация органических веществ, которая сопровождается поступлением фосфора в почвенный раствор. Фосфор плазмы микроорганизмов входит в состав белковых тел микроорганизмов. Эта форма фосфора не выполняет существенной роли в питании растений до тех пор, пока из-за неблагоприятных условий обитания микроорганизмы не погибнут. Поскольку, в благоприятных условиях фосфор передается дочерним поколениям при делении клетки материнской особи.
Минеральные формы фосфора находятся преимущественно в виде соединений ортофосфорной кислоты с ионами кальция, магния, железа и алюминия. Соли фосфорной кислоты наиболее доступная для растений и распространенная форма фосфора в почве, составляет до 5% от валового его содержания. Образуется в результате минерализации органических соединений с помощью фермента фосфатазы или при выветривании минералов. Доступность растениям фосфатов почвы определяется степенью замещенности водородных ионов ортофосфорной кислоты: Ca(H 2 PO 4) 2 однозамещенный фосфат кальция, растворим в воде; CaHPO 4 двузамещенный фосфат кальция, растворим в слабокислой среде; Ca 3 (PO 4) 2 трехзамещенный фосфат кальция, слабо растворим в кислой среде. Значительная их доля адсорбируется на «+» заряженной частью почвенного поглощающего комплекса (базоидами).
Уровень фосфорного питания растений зависит от растворимости минеральных форм фосфора. Фосфаты кальция становятся нерастворимыми в щелочных условиях, а фосфаты железа и алюминия в кислых. Таким образом, химическое осаждение фосфатов из растворов и сорбция их на поверхности почвенных частиц определяется характером реакции почвенного раствора, обуславливая преобладание одного из трех ионов фосфора.
В интервале кислых и нейтральных почв преобладает монофосфат одновалентный ортофосфат H 2 PO 4 , в щелочной среде при pH выше 7,2 доминирует HPO 4 . Ион PO 4 появляется при pH выше 10. Так, растворимость фосфатов полуторных окислов возрастает по мере повышения pH раствора, и, наоборот, в кислой среде они приобретают кристаллическое строение со значительной потерей растворимости. При pH=5 фосфор преимущественно связывается с кальцием, растворимость фосфатов кальция возрастает по мере подкисления среды. Осаждение фосфатов железа происходит при рН ниже 3,5; фосфатов алюминия - ниже 5; а кальций фосфатов - при рН выше 7,5 (Томпсон, Троу, 1982). Возможность осаждения и растворения этих соединений при различных значениях реакции среды может быть представлена в виде схемы представленной выше. Наиболее легко абсорбируется растениями монофосфат. Таким образом, вследствие высокой активности элементарного фосфора и его окислов он образует мало- и труднорастворимые соединения в воде. Т.е. проявляется химическое осаждение фосфатов из растворов и сорбция их на поверхности почвенных частиц. Это явление известно как химическое поглощение фосфора (ретроградация) и определяет эффективность фосфорных удобрений.
Исследованиями установлено, что кроме перечисленных факторов увлажнение-высушивание почвы приводит к «распаковке» глинистых минералов с трехслойным строением кристаллической решетки и высвобождению фосфора. Быстрое смачивание почвы способствует разрушению почвенного агрегата, обнажению внутренних его поверхностей, а, следовательно, и переходу в почвенный раствор ранее скрытых соединений фосфора. Кроме того, степень обеспеченности растений доступными почвенными фосфатами зависит от уровня потребления фосфора возделываемой культурой и связано с ее биологическими особенностями. По данным Д.Н.Прянишникова, некоторые растения (гречиха, горчица, эспарцет, донник, горох) способны усваивать фосфор из трехзамещенных фосфатов. На усвоении фосфатов большое влияние оказывают аммиачное и аммиачно-нитратное удобрения. Поскольку, аммиачные формы азотных удобрений обладают физиологической кислотностью, последняя может оказать растворяющее воздействие на фосфорит.
Исходя из особенностей взаимодействия различных почв с фосфором удобрений, характера превращения фосфора в почвах приемы рационализации фосфатного режима почвы представляются следующими:
В органической форме фосфор входит в состав сложных белков (нуклеопротеидов), нуклеиновых кислот, фосфатидов, фитина, фосфорных эфиров, Сахаров, В-ферментов и других биологически активных веществ. Значительное количество фосфора находится в растениях в минеральной форме и используется в различных реакциях фосфорилирования (превращение углеводов с участием фосфорной кислоты).
Соединения фосфора с аделиновой кислотой (аденизиндифосфаты и аденизинтрифосфаты) занимают ведущее место в энергетическом обмене в клетке. Они богаты макроэргическими связями, в которых аккумулируется энергия, освобождающаяся при дыхании растений и используемая в разнообразных процессах синтеза.
Основным источником фосфатного питания растений в природных условиях служат соли ортофосфорной кислоты. Пирофосфаты и метафосфаты также могут быть использованы сельскохозяйственными культурами.
Соли одновалентных катионов ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в воде и легко усваиваются растениями так же, как и соли двухвалентных катионов ортофосфорной кислоты, если они замещают в кислоте один водород (главным источником таких соединений служит суперфосфат, содержащий в своей основе мококальцийфосфат). Соли двухвалентных катионов (например, дикальцийфосфат) нерастворимы в воде. Однако они хорошо растворяются в слабых кислотах, в том числе и органических, которые присутствуют в почве.
Трехзамещенные ортофосфаты двухвалентных катионов (например, трехкальциевый фосфат) практически нерастворимы в воде, очень слабо растворимы в слабых кислотах и плохо усваиваются растениями. Но такие культуры, как люпин, гречиха, горчица, эспарцет, горох и конопля, способны достаточно хорошо усваивать трехкальциевые фосфаты и тонкоразмолотые фосфориты.
Очень слабо используется растениями фосфор средних и особенно основных солей трехвалентных катионов ортофосфорной кислоты. Органические фосфорные соединения при воздействии ферментов микрофлоры переходят в минеральные фосфаты, которые и усваиваются растениями. Растения поглощают фосфаты более интенсивно в первый период роста, чем в последующие. Недостаток фосфорного питания в ранний период роста растений очень сильно сказывается на дальнейшем их развитии. При этом фосфорное голодание в начале развития растения невозможно полностью преодолеть последующим внесением фосфора. Более того, обильное фосфорное питание в дальнейшем отрицательно сказывается на развитии сельскохозяйственных культур.
Исследования с применением радиоизотопов фосфора позволили установить большую скорость передвижения фосфатов из почвы в растения и внутри них. Фосфор, поступающий в растение, очень неравномерно распределяется между его органами и тканями. Растущие клетки получают фосфора больше, чем клетки, деление которых прекратилось. В фазу созревания репродуктивных органов к ним очень энергично передвигаются фосфаты из вегетативных частей. Основная часть фосфора сосредоточивается в товарной части урожая. Отсюда вытекает необходимость заботиться о достаточном обеспечении фосфорным питанием сельскохозяйственных культур. При нормальном питании злаковых культур фосфатной пищей ускоряется их развитие и созревание, повышается сопротивляемость к полеганию, а также улучшается качество продукции.
Калий содержится в почвах главным образом в алюмосиликатах. Валовое содержание калия в почвах выше, чем азота и фосфора. Оно определяется, прежде всего, минералогическим и гранулометрическим составом почвы. Объясняется это тем, что большая часть почвенного калия входит в состав полевых шпатов, слюд и различных глинистых минералов (иллит, монтмориллонит, вермикулит). Полевые шпаты (ортоклаз, роговая обманка, микроклин) распространены весьма широко на них приходится 60% минералогического состава поверхностного слоя земной коры. В их составе 10-12% занимает оксид калия. Большое распространение имеют калийные слюды - мусковит, биотит, флогопит. Мусковит содержит в среднем 10%, а биотит 8% оксида калия. В результате выветривания и биохимического разрушения полевых шпатов и слюд образуются гидрослюды (вторичные минералы). Они входят в состав преимущественно дисперсных фракций почвы. Поэтому, содержание калия в почвах зависит от их гранулометрического состава. Почвы тяжелого гранулометрического состава могут фиксировать значительно больше калия, чем легкие. Помимо минералогического и гранулометрического составов на поглотительную способность почвы в отношении калия значительное влияние оказывают ее влажность, содержание гумуса, реакция среды, биологическая активность, а также дозы и формы минеральных удобрений. В почве калия много в составе живого и мертвого органического вещества, поэтому на содержание калия в почве оказывает влияние степень гумусированности. Меньше всего калия содержится в торфяниках и песчаных почвах, в легких подзолистых и дерново-подзолистых почвах. Максимальные запасы элемента сконцентрированы в черноземах, каштановых и сероземных почвах.
В пахотном слое дерново-подзолистых, песчаных и супесчаных почв находится 0,6-1,5% валового калия (К 2 О), в глинистых- 1,5-2,5%. В серых лесных и черноземных почвах количество валового калия достигает 1-3%, в каштановых и бурых почвах-1-2%.
В почвах различают три формы соединений калия водорастворимый, обменный и необменный, входящий в состав силикатов.
Растения могут усваивать не только водорастворимый и обменный калий, но частично и необменный (на тяжелых почвах в большей степени, чем на легких). Запасы подвижного калия пополняются в результате выветривания минералов. С другой стороны, обменный калий в почве может переходить в необменные формы.
Агрохимическое обследование почв России показало, что они довольно хорошо обеспечены подвижным калием. Около 67% пахотных почв характеризуется повышенным, высоким и очень высоким его содержанием и лишь 10,8% очень низким и низким. Почвы отдельных природно-экономических районов значительно различаются по количеству подвижного калия. Однако в целом почвы всех районов более обеспечены калием, чем фосфором. Особенно бедны обменным калием легкие подзолистые и торфяные почвы.
В лесной подзолистой зоне преобладают пахотные почвы с низким и средним содержанием обменного калия и только 3% с очень низким. Свыше 30% почв имеет повышенное, высокое и очень высокое его содержание. Наименее обеспечены обменным калием почвы Центрального района Нечерноземной зоны, где почти 32% земель с низким и 5% с очень низким его содержанием.
Наибольшее количество обменного калия находится в пахотных почвах Уральского района, здесь 60% земель имеют повышенное, высокое и очень высокое его содержание. Правда, этот район не полностью входит в зону подзолистых почв.
Закономерности размещения почв с различным содержанием калия еще недостаточно ясны. По-видимому, здесь большую роль играют провинциальные литологические особенности почвообразующих пород. Определенное значение имеют и различия в механическом составе почв. Влияние окультуренности почв на содержание калия сказывается слабее, чем на содержание фосфора. Иногда более окультуренные почвы с повышенным количеством фосфора содержат даже меньше калия, чем менее окультуренные.
Для правильного суждения об обеспеченности почв подвижным калием и его доступности растениям необходимо знать не только его содержание, но и степень подвижности. При одном и том же количестве обменного калия степень его подвижности в легких почвах выше, чем в тяжелых. Источником накопления обменного калия по мере его использования служит необменный калий. В легких дерново-подзолистых почвах значительно меньше необменного калия по сравнению с тяжелыми. Наибольшим его количеством обладают пойменные почвы.
Черноземные почвы Центрально-Черноземной зоны лучше обеспечены подвижным калием, чем почвы подзолистой зоны. Особенно много его в черноземах Западно-Сибирского района (56% земель с очень высоким содержанием). Количество обменного калия здесь увеличивается от лесостепи к сухим степям, достигая наибольшей величины в южных черноземах. Почти во всех каштановых почвах, за исключением супесчаных и песчаных разновидностей, отмечено значительное количество подвижного калия. Особенно богаты им почвы Прикаспийской низменности. Достаточно обеспечены подвижным калием почвы Восточной Сибири и Дальнего Востока, где размещено свыше 60% пахотных земель с повышенным, высоким и очень высоким его содержанием.
По степени доступности растениям почвенный калий классифицируется следующим образом (Панников, Минеев, 1977). Не все формы калия в почвах доступны растениям. Общепринятым считается, что все формы калия находятся в динамическом равновесии. Принято выделять следующие формы: водорастворимый, обменный, фиксированный, калий нерастворимых силикатов, калий органической части почвы.
Валовое содержание калия в почвах выше, чем азота и фосфора. Объясняется это тем, что калий входит в состав большинства минералов, слагающих почвообразующую породу. Однако валовое содержание элемента не характеризует то его количество, которое может быть усвоено растениями. Эта форма элемента определяется как калий, входящий в состав кристаллической решетки почвенных минералов, она практически недоступна растениям до разрушения этих минералов с высвобождением калия в усвояемую растениями форму 30кг/га в год (Пчелкин, 1977). По-видимому, разрушение почвенных минералов усиливается на фоне удобрений и под хорошо развитым растительным покровом. Этому способствует попеременное увлажнение и высыхание почвы.
Рисунок. Формы калия в почве и их трансформация (Krauss, 1998)
Водно-растворимый калий наиболее подвижен и доступен растениям. Представлен легкорастворимыми его солями, находящимися в почвенном растворе. Его количество в зависимости от внешних условий постоянно меняется и составляет 1/5- 1/10 часть от обменного калия (1-7мг/кг почвы). Эта форма калия пополняется за счет гидролиза калийсодержащих минералов, разрушения их корневыми выделениями и продуктами жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, но главным образом за счет вытеснения обменного калия. Растения могут усваивать до 50-70% водно-растворимого и обменного калия.
Калий органического вещества почвы представляет собой ту часть, которая входит непосредственно в состав гумуса, внесенных органических удобрений, растительных остатков, а также микробных тел. Этот калий становится доступным растениям лишь после отмирания микробных тел и минерализации источников органического вещества.
Обменный, или поглощенный калий составляет 0,8-1,5% . Представлен катионами калия в почвенном поглощающем комплексе. Вместе с водорастворимым калием это основной источник калийного питания растений. Но растения могут усваивать только какую-то часть всего запаса обменного калия, наиболее подвижную. Она вытесняется в почвенный раствор другими катионами, находящимися на поверхности корневых волосков растений.
Фиксация калия в необменном состоянии характерна для почв, богатых глинистыми минералами со сложной, трехслойной кристаллической решеткой. Этот калий внедряется в межпакетное пространство кристаллической решетки. Фиксация калия, при которой он вовлекается внутрь кристаллической решетки, усиливается при попеременном увлажнении и высыхании почвы, значительном содержании органического вещества почвы и щелочной реакции почвенного раствора.
Таким образом, калийное состояние почв связано со способностью катионов переходить из одной формы в другую. Эти превращения заключаются в возможности ионов калия занимать различные по прочности связи с почвой позиции, и относится к двум противоположно направленным, обратимым процессам фиксации (адсорбции) и мобилизации и (десорбции). Под фиксацией калия понимают переход катионов, находящихся в почвенном растворе или в обменном состоянии в необменную (прочносвязанную) форму. Поэтому, фиксацию калия можно рассматривать как процесс, ответственный за его накопление и сохранение. Десорбционная способность контролирует механизм удаления-потребления почвенного калия. Представляет процесс перехода катионов из обменно-поглощенного или необменного состояния в почвенный раствор.
Баланс калия в агроценозах формируется из приходной и расходной частей. Приходная часть состоит из калия, поступающего из почвообразующих пород и минералов, зольного калия, калия плазмы микроорганизмов и с поступающими минеральными и органическими удобрениями. Расходная часть слагается калием, отчуждаемым из агроценоза с растительной продукцией, потери с поверхностным стоком, за счет инфильтрации и в виде необменной фиксации калия минералами.
Приходные статьи баланса калия
Все калийсодержащие минералы могут служить непосредственными источниками калийного питания растений. Доступность калия слюд и гидрослюд значительно выше. Коэффициент использования калия из слюд (мусковит, биотит, флогопит) составляет 39%, причем они хорошо обеспечивали растения калием при размере фракций от илистой до песчаной (Важенин, Карасева,1959, Петербургский, Кузнецов, 1972). Глинистые минералы (иллит, глауконит) могут быть использованы в качестве калийных удобрений (Грим,1967). По доступности калия растениям из минералов имеется следующий убывающий ряд: биотит-нефелиновая порода > мусковит > полевые шпаты (ортоклаз, микроклин).
Количество высвобождаемого калия зависит не только от общего количества конкретного минерала, но и от содержания в нем калия, зависящего от степени выветренности.
Таким образом, определенные количества разных минералов могут обеспечить одинаковое общее количество калия в субстрате, но условия калийного питания растений при этом будут совершенно различными. Доступность растениям калия определяется, прежде всего, прочностью его связи с минеральной основой почвы. Позиции, занимаемые ионами калия в его почвенных носителях, по возрастанию степени энергии связи можно классифицировать следующим образом:
а) калий, адсорбированный на минеральных и органоминеральных коллоидных частицах ППК. Обменные катионы удерживаются вокруг внешних краев кремнезем-глиноземных элементов структурных слоев глинистых минералов с различной энергией, которая зависит от положения адсорбированного катиона на поверхности минерала, концентрации ионов.
б) калий, необменно-поглощенный межслоевым пространством почвенных минералов с расширяющимся типом решетки (монтмориллонитового типа). Поглощенные катионы, проникающие между силикатными слоями этих минералов, переходят в менее подвижную, по сравнению с обменной, форму при сжимании решетки (Горбунов,1965). Данная реакция, как правило, обратима – при гидратировании коллоидов катионы могут снова переходить в раствор;
в) калий, расположенный в межплоскостном пространстве глинистых минералов с ненабухающей решеткой (гидрослюды). Ионы калия уравновешивают дефицит заряда, вызванный изоморфными замещениями внутри кристаллической решетки, и, поэтому удерживаются электростатическими силами достаточно прочно (Грим,1967);
г) калий, входящий в кристаллическую решетку минералов с листовой решеткой (слюд);
д) калий минералов с каркасным типом кристаллической решетки (полевых шпатов).
Таким образом, максимальной подвижностью обладают ионы почвенного раствора, минимальной – калий, входящий в каркасную кристаллическую решетку полевых шпатов.
Калий, поглощенный органической частью почвы (микробами, органическими остатками и гумифицированным веществом) составляет весьма небольшое количество. В составе золы гуминовой кислоты калий составляет 1,22%. Калий, входящий в состав плазмы микроорганизмов, густо населяющих почву и ризосферу, становится доступным лишь после отмирания микробов.
Калий в почвах малоподвижен – перемещение ионов калия за вегетационный период не превышает 3-7мм. Это делает возможным обогащение почвы калием внесением удобрений в запас, т.е. раз в 3-5 лет.
Расходные статьи баланса калия.
Вынос урожаями представляется основной расходной статьей баланса этого элемента питания. Ежегодно с урожаями технических, пропашных культур выносится более 110 кг/га калия. Считается, что растения предпочтительнее поглощают калий почвы, чем из свежевнесенного удобрения.
По литературным данным, содержание калия в зерне пшеницы является стабильным показателем и составляет 0,5- 0,6% (на сухое вещество); в соломе его уровень колеблется в более широких пределах – 0,8 -1,3%, а при внесении удобрений содержание калия в соломе пшеницы достигало 1,-3,8%.
Значительно варьирует содержание калия в клубнях картофеля, оно составляет от 0,67 до 2,7%. Еще более заметно колеблется концентрация элемента в картофельной ботве – 0,7 -3,8%.
Сельскохозяйственные культуры предъявляют неодинаковые требования к уровню калийного питания. Уровень калийного питания определяется динамикой и интенсивностью потребления элемента в течение вегетации. По этим показателям сельскохозяйственные растения подразделяются на 2 группы:
а) высокотребовательные к уровню калийного питания и отзывчивые на высокие дозы калийных удобрений – картофель, сахарная свекла, ячмень, подсолнечник, гречиха, просо, капуста, морковь, огурец, баклажаны, петрушка, сельдерей.
б) культуры с нормальной потребностью в калии, положительно отзывающиеся на последействие калийных удобрений, внесенных в высоких дозах под предшественник.
Вынос этого элемента с урожаем в интенсивных агроценозах может составлять 110 – 120 кг/га за счет почвенных запасов и 300 кг/га – при внесении калийных удобрений. Вынос калия капустой достигает 500 кг/га, томатом -220, морковью и картофелем -300, ячменем -400, пшеницей -200 кг/га.
Удельный вынос калия в целом увеличивается с повышением уровня калийного питания, но в значительной степени зависит от биологических особенностей выращиваемых культур. У культур с высоким потреблением калия его вынос возрастает по мере повышения доз удобрений. Растения с относительно низкой потребностью в калии склонны накапливать этот элемент в биомассе без соответствующего повышения продуктивности. В общем выносе калия на долю основной продукции приходится (в %): капуста и томат -70, морковь -75, картофель -80, пшеница и ячмень – 15.
Д.Н.Прянишников считал, что выносимое с урожаем количество калия должно быть компенсировано удобрениями не менее чем на 70-80%.
Минералогический и органо-минеральный состав почвы определяет такое ее важное свойство как способность фиксировать, или поглощать калий. Фиксация калия возрастает при высушивании почвы. Иногда фиксированный калий удерживается так прочно, что становится недоступным для растений. По данным С.М.Горбачевой (1977), в Красноярском крае необменная фиксация калия приводит к потере на черноземных, лугово-черноземных и серых лесных почвах до 60%, на серых лесных почвах – 25% элемента. Причем, фиксация проявляется при пониженной влажности и в условиях переменного избыточного увлажнения и последующего высушивания почвы
При водной и ветровой эрозии из корнеобитаемого слоя почвы теряется до 10% калия (обменного и водорастворимого).
Азот необходим для роста растений, образования белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла и др. органических веществ. При недостатке азота в почве растения желтеют, становятся этиолированными и отстают в росте и развитии.
Азоту принадлежит важная роль в процессах новообразования гумусовых веществ. Аккумуляция азота в почве является характерным признаком почвообразования, а запасы общего азота определяют потенциальное плодородие. Являясь самым мобильным элементом, азот удобрений и почвы может теряться в результате миграции в нижележащие горизонты почвы, теряется в газообразном состоянии, закрепляется в кристаллической решетке минералов и в плазме микроорганизмов.
Валовое количество азота в почвах изменяется от 0,02-0,05 % в дерново-подзолистых песчаных до 0,2-0,5 % в черноземах. В почвообразующих породах азота почти нет. Почвенный азот находится в основном в составе органического вещества – гумуса (1 / 20 - 1 / 40 часть его процентного содержания). Этот азот растениям недоступен. Однако в течение теплого времени года часть гумуса (1-2% его содержания) разлагается микроорганизмами и азот высвобождается в доступной для растений форме.
Таким образом, содержание азота в почве зависит от количества органического вещества, прежде всего гумуса. Следовательно, чем больше гумуса содержат почвы, тем больше в них азота (табл. 15).
Таблица 15
Общий запас гумуса и азота в различных почвах, т/га
(Тюрин И.В., 1965)
|
Дерново-подзолистая | ||||
|
Серая лесная | ||||
|
Чернозем: выщелоченный обыкновенный | ||||
|
Темно-каштановая | ||||
|
Краснозем | ||||
Азот почвы можно разделить на шесть категорий: 1) азот органических веществ; 2) минеральный азот в почвенном растворе; 3) минеральный азот в обменном состоянии; 4) азот растительных остатков; 5) аммоний, фиксированный в глинистых минералах; 6) газообразный азот в почвенном воздухе.
Элементарный азот (N 2) в газообразной форме содержится в почвенном воздухе и в растворенной форме в почвенном растворе. В сухих почвах он адсорбирован на поверхности твердых частиц. Однако элементарный азот обычно не учитывается, так как он не имеет непосредственного значения для растений, у которых нет симбиотических отношений с азотфиксирующими микроорганизмами, и он имеется в достаточном количестве, как для симбиотической, так и для не симбиотической фиксации.
Минеральный азот находится в почвах в форме закиси азота N 2 O, окиси азота NO, двуокиси азота NO 2 , аммиака NH 3 , аммония NH 4 + , нитрита NO 2 ─ и нитрата NO 3 ─ . Первые четыре соединения – это газы, которые присутствуют в концентрациях недостаточно больших, чтобы их можно было обнаружить. Последние три – это ионные формы, встречающиеся в почвенном растворе.
Органический азот можно разделить на легко-, трудно- и негидролизуемую фракции. Резервом доступного для растений азота является легкогидролизуемый азот. Его содержание в почвах составляет 2-5 % валового количества азота. Это азот, который может быть минерализован. Однако по валовому количеству нельзя делать прогноз об обеспеченности растений азотом, как элементом питания.
Основную роль в азотном питании растений играют минеральные формы азота: окисленная (NO 3 -) и восстановленная (NH 4 +). Минерального азота содержится в среднем от 50 кг/га в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв до 100 кг/га и более в черноземных, что составляет 0,5-1 % валового количества азота в почвах. За вегетационный период растениями усваивается около 40 % минерального азота.
Аммонийный азот образуется в почвах в результате жизнедеятельности аммонифицирующих гетеротрофных микроорганизмов. Большая часть аммония находится в обменной и необменной формах. Аммонийный азот входит в состав обменных катионов и составляет 0,3-0,4 % от суммы обменных оснований (обменный аммоний), является компонентом почвенного раствора – 5-6 мг/л (водорастворимый аммоний). Содержание обменного и воднорастворимого аммония зависит от типа почв, численности аммонифицирующих бактерий и изменяется в динамике; по профилю распределен равномерно. Основная часть аммонийного азота находится в поглощенном состоянии. Так в дерново-подзолистых почвах воднорастворимого аммония в 5-7 раз меньше, чем обменно-поглощенного.
Необменный аммоний может встречаться в трех главных формах. Первая – это кристаллические соединения, образующиеся из составных частей раствора. Вторая форма – включение аммония в первичные силикатные минералы, подобные слюдам и полевым шпатам, где он занимает места принадлежащие калию. Третья форма – это положение между слоями кристаллической решётки минералов, подобных вермикулиту и иллиту, в тех же местах, где калий также может удерживаться в необменной форме. Третья форма имеет наибольшее значение в почвах, содержащих значительные количества вермикулита и иллита. Необменный аммоний составляет 4-8 % от общего содержания азота в верхнем слое различных почв (Блэк К.Э., 1973).
Образование нитратного азота в почвах происходит благодаря биологическому окислению NH 3 + , (NH4) + до NO 3 ¯ в результате микробиологического процесса нитрификации, который осуществляется двумя группами автотрофных бактерий. Бактерии Nitrosomonas окисляют аммиак до азотистый кислоты, а Nitrobakter – азотистую кислоту до азотной.
Различают три группы нитратного азота в почве: свободный, подвижный, адсорбированный.
Свободный нитратный азот. Находится в почвенном растворе (30-60 мг/л), может передвигаться по профилю почв, хорошо поглощается корнями растений; часть нитратного азота подвергается денитрификации.
Подвижный нитратный азот – это адсорбированный NO 3 - , легко переходящий в почвенный раствор из твердой фазы после высыхания почвы и последующего ее увлажнения.
Адсорбированный NO 3 - находится в твердой (коллоидной) фазе почв в обменном состоянии. Активно обменивается на фосфат-ион.
Подвижный и адсорбированный нитратный азот не подвергается вымыванию и денитрификации, так как находится в почве в виде поглощенных ионов.
В лесных почвах преобладает аммонийный азот. При распашке лесных почв процесс нитрификации активизируется, преобладает количество нитратного азота.
Содержание N-NO 3 в пахотных почвах зависит от типа почв, степени их окультуренности, состава глинистых минералов. Об уровне обеспеченности сельскохозяйственных культур свободным нитратным почвенным азотом судят по нитрификационной способности почв (прил. 1). Для расчета доз азотных удобрений для получения планируемого урожая сельскохозяйственных культур необходимо знать содержание минерального азота в почвах.
Таким образом, Э.И. Шконде и И.Е. Королева весь азотный фонд почвы разделили на четыре фракции (группы): 1- минеральная (нитратный, нитритный, обменный аммоний); 2 – легкогидролизуемая (амиды, часть аминов); 3 – трудногидролизуемая (амины, часть амидов, гумины, необменный аммоний); 4 – негидролизуемая (азот гуминов, меланинов, битумов, необменный аммоний).
Групповой состав органических соединений азота для трех главных типов почв приведен в таблице 16.
Соотношение различных соединений азота даже в контрастных по свойствам и генезису почвах довольно устойчиво. Во всех случаях преобладают негидролизуемые соединения азота. В черноземе они составляют около 40-45 % всего запаса азота, в сероземе немного меньше – около 40 %, в дерново-подзолистой почве – около 30 %. Такое соотношение обусловлено повышенной биологической активностью чернозема и серозема, в которых более быстро разлагаются лабильные соединения азота и относительно легко накапливаются более устойчивые негидролизуемые формы.
Таблица 16
в слое 0-20 см, кг/га (Орлов Д.С., 2004)
|
Дерново-подзолистая почва |
Типичный чернозем | ||
|
Весь азот | |||
|
Азот аминогрупп | |||
|
Аммонийный азот | |||
|
Азот аминосахаров | |||
|
Негидролизуемый азот |
Фракционный состав азота находится в соответствии с запасом гумуса и общего азота (табл. 17). Экспериментальные данные А.С. Пискунова показывают, что большая часть азота (72-76 %) дерново-подзолистых почв представлена негидролизуемой фракцией, то есть азотом гуминов, меланинов, битумов, необменным аммонием. При внесении органических и минеральных удобрений происходит накопление этой фракции азота, она составляет основную часть баланса в азотном фонде почв, которая недоступна растениям.
На долю трудногидролизуемой фракции приходится 17-19 %. Фракция трудногидролизуемого азота является наиболее стойкой в процессе минерализации и слабее вовлекается в биологический круговорот.
При внесении удобрений и возделывании сельскохозяйственных культур содержание этой фракции может снижаться за счет перехода азота в более подвижные формы, в результате чего происходит накопление легкогидролизуемого (8-10 %) и минерального азота. Чем больше вносится азотных удобрений, тем больше минерального (особенно нитритного) азота вымывается в подпахотные горизонты. При умеренных дозах (не больше 60 кг/га) происходит наиболее полное и рациональное использование азота растениями.
Дерново-подзолистые почвы Предуралья, бедные органическим веществом, обладают низким плодородием. При внесении азотных удобрений повышается плодородие, а вместе с ним и содержание подвижных форм азота.
В сравнении с высокогумусным оподзоленным черноземом, дерново-глеевой и серой лесной почвами для дерново-подзолистых почв Предуралья характерна повышенная мобильность органических соединений азота и меньшая устойчивость к гидролизу и минерализации.
Подвижные формы азота определяются по широко распространенным методикам (табл. 18).
В каждом годичном цикле часть органического азота в почве минерализуется, и часть минерального азота иммобилизуется, часть почвенного азота теряется, а часть вновь поступает в почву. Статьи прихода и расхода азота образуют его баланс в почве. Потери азота из почвы: вынос с урожаем; вымывание; превращение в газообразную форму; эрозия. Поступление азота в почву происходит за счет: не симбиотической фиксации – это процесс, в результате которого определённые свободноживущие организмы превращают элементарный азот в органические соединения; симбиотической фиксации – это процесс превращения элементарного азота в органические формы благодаря симбиозу или связи между двумя видами растений; поступления с осадками; внесения удобрений.
Основные приемы регулирования азотного режима заключаются в следующем:
в увеличении органической части в твердой фазе почвы путем внесения органических удобрений, использовании органических остатков (стерни, соломы), возделывании сидеральных культур, совершенствовании севооборота - повышение в нем доли культур сплошного посева (многолетних трав);
увеличение содержания в почве подвижных форм азота путем внесения минеральных удобрений;
повышение эффективности использования азота почвы путем регулирования реакции почвенного раствора, уменьшении темпов минерализации органического вещества почвы за счет снижения интенсивности обработки почвы;
использование кальцийсодержащих соединений (извести, доломитовой муки, мергеля);
совершенствование способов внесения азотных удобрений (дробное внесение);
совершенствование структуры посевных площадей и чередования культур в севооборотах;
улучшение агрофизических свойств почвы и повышение общей культуры земледелия.
Таблица 17
Фракционный состав азота дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы, мг/кг
(по данным кафедры агрохимии ПГСХА Пискунова А.С., 1994)
|
Горизонт, слой, см |
Влажность, % |
Общий азот |
минеральный |
Легкогидро-лизуемый |
Трудногидро-лизуемый |
Негидро-лизуемый |
||
|
А пах 0-30 | ||||||||
Таблица 18
Формы подвижного азота и методы извлечения из почвы
(Пискунов А.С., 2004)
|
Формы определяемого азота |
Предполагаемый состав извлекаемых соединений азота | ||
|
Нитритный |
Грандваль – Ляжу |
||
|
Обменно- поглощенный |
Солевая (2% KCI) |
Важенин, модификация ЦИНАО |
|
|
Минеральный |
Солевая (1н KCI) |
N – NO 3 + N – NH 4 , частично амиды |
ВИУА (В.Б. Замятина) |
|
Легкогидролизуемый |
0,5 н Н 2 SO 4 |
N – NO 3 , N – NH 4 , часть амидов и аминов |
Тюрин, Кононова |
|
Окисляемый |
30 % NaOH+5 % KMnO 4 |
N – NO 3 , N – NH 4 , обменный и частично фиксированный N – NH 4 , аминосахара и др. |
Крисджи и Меркли |
|
Щелочно-гидролизуемый |
1н NaOH, компостирование 48 ч при t 28 0 |
N – NH 4 , частично N – NH 4 обмен-ный, частично N – NH 4 фиксиро-ванный, амиды, амины, аминоса-хара, моноаминокислоты и др. |
Корнфилд |
|
Биологически активный (ни-трификационная способность) |
14-7 – дневное компостирование при t 28 0 |
N – NO 3 после компостирования без вычета исходного содержания |
Кравков, 1927, моди-фикация Болотиной |
