Азот - как необходимый элемент для питания растений

Азот – это составляющая часть растительных протеинов, хлорофилла, ДНК (генетический код), энзимов и многих других компонентов, необходимых для роста растений. Растения потребляют азот в виде нитратов (NO₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺). Доминирующей формой является нитрат. Аммоний более предпочтителен на стадии раннего роста растений, однако, в течение всего вегетативного периода возрастает и необходимость в азоте; растения усваивают большую часть азота в форме нитрата.

Количество азотных удобрений, необходимых для растения, зависит от поставляющей способности почвы. Динамическая `область` доступных источников азота включает:

1) органические источники азота, как например навоз, сточные воды и компост,

2) азот, фиксируемый Rizobium-бактериями из растительных остатков,

3) азот, фиксируемый микробами,

4) азотные удобрения,

5) связанный почвой азот.

Все эти источники азота со временем минерализуются в нитрат.

Так как нитрат является преобладающей формой азота используемого растениями, метод определения остаточного нитрата в корневой зоне перед посадкой планируемой культуры (кроме бобовых) является необходимым способом оценивания нужного количества азотного удобрения. Тест на остаточный нитрат – это основной метод определения доступного нитрата в почвах, особенно там, где вымывание нитрата минимально. Исключение составляют почвы, где происходит выщелачивание и денитрификация. Нитрат растворяется в воде, таким образом, становясь мобильным. Там, где количество осадков достаточно большое, азот вымывается в более глубокие, чем корневая зоны, становясь недоступным растению. Следовательно, тест на остаточный азот не является достоверным в плохо дренируемых почвах, которые сохраняют влажность в течение длительного периода времени, и который может быть утрачен за счет денитрификации (см. далее).

Количество применяемых азотных удобрений зависит от многих факторов. Для начала вам нужно знать характеристики планируемого урожая, такие как: сколько азота выносит культура, а так же её потенциал урожайности. Минерализация почвенного органического азота – является важным фактором. Высокий уровень минерализации сократит норму внесения азотных удобрений.Урожаи бобовых увеличат степень минерализации. При расчете доз внесения азотных удобрений учитывается остаточный нитрат почвы, доступный для предназначаемого урожая, что сокращает количество азотных удобрений.

Источники азотных удобрений

Фермеры очень заинтересованы в стабильном источнике азотных удобрений, которые будут использоваться их урожаями. Более всего их беспокоит: улетучивание, иммобилизация и доступность азотных удобрений. Все источники азота работают эффективно, когда применяются должным образом.

Существует много источников азотных удобрений, используемых в течение многих лет. Азот в большинстве случаев используется в виде смеси нитрата аммония и мочевины (28-0-0 и 32-0-0), мочевины (46-0-0), нитрата аммония (34-0-0), безводного аммиака (82-0-0) и сульфата аммония (21-0-0-24).

Выбор источника азотных удобрений – это главное решение для землепользователя. Есть преимущества и недостатки в каждом из них. Возможны ситуации, когда один источник более предпочтителен, чем другой.

Основным источником азотных удобрений является безводный аммиак (NH₃). Аммиак получается, при взаимодействии азота воздуха (78 % атмосферы – это азот, N₂) с природным газом при высокой температуре и давлении. При увеличении цены на энергоносители, соответственно увеличивается и цена на азотные удобрения. Аммиак переходит в жидкое состояние при температуре ниже, чем –33⁰С. Таким образом, аммиак хранится под давлением, чтобы находится в жидкой форме. Аммиак, пропущенный над платиновым катализатором, переходит в азотную кислоту (HNO₃). Азотная кислота, в смеси с аммиаком, даёт нитрат аммония NH₄NO₃ (34-0-0). Мочевина (NH₂)₂CO(46-0-0) получается при взаимодействии избытка аммиака с углекислым газом (CO₂). Взаимодействие аммиака с серной кислотой даёт сульфат аммония. Взаимодействие аммиака с фосфорной кислотой даёт фосфат аммония.   

В течение многих лет, безводный аммиак (NH₃) был основным источником азотных удобрений при классической обработке почвы. Безводный аммиак необходимо впрыскивать в землю достаточно глубоко, чтобы избежать потерь газообразного аммиака. Внесение может быть проведено во время сева или в любое другое время. Такой способ внесения является достаточно жестким по отношению к микрофлоре и микрофауне почвы. Сегодня No-Till-фермеры используют другие источники азотных удобрений, более мягкого действия. Такое внесение NH₃ достаточно агрессивно для почвы, что в свою очередь беспокоит фермеров.

Улетучивание азота из мочевины

Мочевина (NH₂)₂CO(46-0-0)– сухое азотное удобрение, которым обычно пользуются фермеры. Мочевина, внесенная в почву или на растительные остатки, реагирует с водой, и с помощью энзима уреазы быстро превращается в аммоний. Это так называемый гидролиз мочевины. Катион аммония (NH₄⁺) превращается в аммиак (NH₃). Так как аммиак – это газ, то он улетучивается в атмосферу. Если аммоний захватывается частичками почвы, тогда он удерживается в ней и не улетучивается. Количества осадков или ирригации в количестве 850 мм достаточно, чтобы переместить мочевину в почву. Поскольку реакция преобразования мочевины в аммоний – это ферментная реакция, соответственно скорость преобразования возрастает при повышении температуры. Лучше всего применять мочевину в течение прохладных периодов, с большим количеством осадков. Избыток мочевины остается на поверхности земли, даёт возможность улетучивания аммиака, особенно при влажных, теплых условиях. Лучше применять мочевину на сухих остатках, чем на влажных, так как активность уреазы меньше, при недостаче воды.

Сухая мочевина может быть внесена ленточным способом. Лента должна быть шириною 38 см для маленьких зерен, или по ширине рядка. Мочевина может также быть применена как стартовое удобрение на 5-8 см со стороны от семени. Норма азота могла бы составить 70-100 кг/га.

Фермеры используют один из многих из способов внесения азота. Например, смешивая растворы мочевины и нитрата аммония вместе, получают жидкое удобрение, содержащее приблизительно половину мочевины и половину нитрата аммония. Такие растворы  хорошие источники азота для культур. Во избежаниеулетучивания NH₃, такие удобрения могут быть впрыснутыми в землю. Глубина внесения не является критичной, однако, она должна быть достаточно глубока; с такой задачей хорошо справляется вращающийся культиватор.

Раствор необходимо впрыскивать для снижения активностиуреазы. Струя должна проходить на 30-38 см. Многоразовое внесение данной смеси, также работает эффективно. Однако необходимо придерживаться правил внесения, во избежание потерь азота путем улетучивания. 

Другие азотные удобрения не имеют проблем потери NH₃. Улетучивание NH₃ происходит потому, что уреаза разлагает мочевину до NH₃ и CO₂. NH₃ растворяется в воде, образуя аммоний (NH₄⁺). CO₂ понижает рН раствора. Аммоний, входящий в состав нитрата, сульфата и фосфата аммония не испаряется. рН растворов этих аммонийных солей низкий, так как азотная кислота, серная кислота и фосфорная кислота – это сильные кислоты, а NH₄ОН – это слабая основа. Сильная кислотная характеристика солей предотвращает потерю NH₃. CO₂ – это более слабая кислота, чем NH₃ – слабое основание; таким образом, кислотность возрастает с увеличением CO₂.

Расчет времени применения

Оптимальное время для внесения азотных удобрений зависит от:

1) возделываемой культуры,

2) характеристики потребления азота,

3) текстуры почвы,

4) корневой зоны,

5) климата,

6) количества необходимого азота.

Менеджмент по азоту является наиболее важным для культур с неглубокой корневой системой, возделываемых на песчаных почвах, нежели культур с глубокой корневой системой на суглинистых почвах. Максимальное потребление азота происходит в период бурного роста. Пшеница, например, имеет самый бурный рост и соответственно максимальное потребление азота в фазе выхода в трубку. Наибольшую часть или всё азотное удобрение нужно внести достаточно рано, чтобы микроорганизмы имели время на минерализацию азотных удобрений в нитрат, так чтобы азот стал доступен растению. Пониженные температуры почвы замедляют процессы минерализации, поэтому азотные удобрения нужно вносить как минимум за 3 недели перед посевом.

Самое быстрое потребление азота на кукурузе происходит в фазе от 8-листа до выброса метелки. Большая часть азота должна быть внесена за 2 недели до фазы максимального потребления, при условии, что этот азот находится в доступной для растения форме – в виде нитрата, или за 2 недели, прежде чем сам посев потребует азот. В случае орошения, где практикуется внесение азота через воду, необходимо провести внесение за 2 недели до периода активного потребления азота.

Потери азота при вымывании и денитрификации

Потери азота из почвы могут проходить при:

1) вымывании (выщелачивании),

2) денитрификации,

3) улетучивания NH₃.

Вопрос потери NH₃ рассмотрен выше. Выщелачивание – это процесс вымывания растворимого нитрата с водой. Почвы с высокой способностью удерживать воду могут аккумулировать значительное количество воды вместе с нитратом.

Для почв с легкой текстурой, которые имеют высокую способность удерживать воду, азотное удобрение может быть внесено непосредственно перед посевом или в качестве подкормки в период самого активного роста. Внесение азота должно быть проведено вовремя, во избежание вымывания в более чем корневая зона глубину. В районах, в которых в период вегетации количество дождей невелико, соответственно, указанная выше проблема не является актуальной. Но в районах с большим количеством осадков время проведения подкормки является критичным.

Для почв с легкой текстурой, с плохой аэрацией из-за повышенной увлажненности, очень важно внести большую часть азотного удобрения после того, как почва подсохнет. Если азот внесен перед севом – основной потенциал азота теряется вследствие денитрификации.

Для песчаных почв часть азота может быть внесена с гербицидом или со стартовым удобрением. Оставшуюся часть нужно внести перед фазой максимального потребления азота (как это обсуждалось выше).   

Количество вымываемого азота зависит от свойств почвы и способности удерживать воду. Улучшение структуры земли, бесспорно уменьшает количество вымываемых нитратов. Когда макро-поры разработаны, вода может войти в землю самотеком, перемещаясь через поры вертикально вниз, и распространяясь горизонтально. Вымывание происходит по капиллярам. Капиллярное движение воды переносит растворимый нитрат. 

Стандартная оценка вымываемого нитрата может быть рассчитана по следующей формуле:

d = 100a/Pv, где d – глубина вымывания, Pv – ёмкость (водовбирающая способность), а – количество промывных вод. Например, если водовбирающая способность суглинка составляет 46% и 2.5 см воды движется вдоль корневой зоны, то нитрат переместиться на глубину 5.5 см. На песчаных почвах с половинной водовбирающей способностью, нитрат вымывается на глубину в 2 раза больше – 11 см.

Денитрификация – это микробный процесс, с помощью которого анаэробные почвенные бактерии (бактерии, способные к жизни без кислорода воздуха) земли утилизируют (перерабатывают) кислород нитрата (NO₃), для поддерживания своих жизненных процессов. Процесс денитрификации – это превращение готового запаса нитрата в различные формы азота, которые могут быть утрачены в атмосфере. Процесс денитрификации можно отобразить следующей схемой: 2NO₃→2NO₂→2NO→N₂O→N₂

Различные почвенные энзимы почвы сопровождают каждый указанный шаг. Почвенные бактерии производят энзимы. Денитрификация происходит при недостатке кислорода и достаточном количестве СО₂ и NO₃^-. Газообразные формы азота – это NO, N₂O и N₂.

Чтобы уменьшить потенциальные потери азота вследствие денитрификации необходимо синхронизировать время внесение азота с фазой максимального потребления азота. Если азотные удобрения придется вносить до фазы максимального потребления азота, вы можете использовать замедлитель нитрификации, для восстановления азота из удобрения до нитрата.    

Потребление и вынос азота культурами

В процессе вегетации питательные вещества расходуются на образование листьев, зерен, стеблей и т.п. Количество азотных удобрений, которое необходимо растению, зависит от урожайности и количества азота, выносимом с урожаем.

 

Таблица 1: Вынос азота с урожаем.

Урожай	Единица измерения на га	Вынос азота (фунты)
Кукуруза	Зерно (кг/га)	0.6-0.9
	Солома (кг/га)	0.3-0.5
Пшеница	Зерно (кг/га)	0.85-1.2
	Солома (кг/га)	0.5-0.75
Силос	Зерно (кг/га)	0.6-1.0
	Силос (кг/га)	0.3-0.5
Подсолнечник	Зерно (кг/га)	0.02-0.04
	Силос (кг/га)	0.15-0.2
Овёс	Зерно (кг/га)	0.6-0.75
	Солома (кг/га)	0.3-0.4
Соя	Зерно (кг/га)	3.1-3.7
	Солома (кг/га)	0.3-0.4
Горох	Зерно (кг/га)	1.85-2.1
	Солома (кг/га)	0.6-0.75

 

Рекомендации по азоту

Вынос азота используется для того, чтобы показать, сколько его выносится из почвы культурой. Требование по азоту – это количество азота, потребляемого растением для роста листьев, стеблей, корней и зерна. Пожнивные остатки содержат остаточный азот. Этот `органический азот`будет `выпущен`через какое-то время. Однако для No-Tillа необходимо добавить некоторое количество азотных удобрений для боле быстрой переработки азота в доступную форму. Только через 3-4 года азот из пожнивных остатков после перегнивания становится доступным. В последствие этот факт будет учтен при снижении дозы азотных удобрений. Бобовые культуры используют в большей части и `свой` азот, который может быть доступен и для следующих не бобовых культур. 

Таблица 2. Кредиты по азоту

Последний урожай бобовых	Кредиты по азоту кг/га
Соя	0-67
Люцерна	0-156.8
Клевер	0-84
Сухие бобы	0-45
Конопля	0-112

 

То есть, значение кредита можно вычесть из общего количества необходимых азотных удобрений.

Вывод

В данной работе рассмотрена функция азота, как удобрения и как питательного вещества для растений. Азот необходим для выращивания здорового и высококачественного урожая. Количество азота, которое нужно внести, зависит от многих факторов, таких как: остаточный нитрат в почве, прошлые/настоящие урожаи бобовых, потребление азота культурой, потенциал урожайности, иммобилизация пожнивных остатков азотными удобрениями, степень минерализации нитрата, органическое вещество почвы, цена на зерно, уровень протеина, уровень белка и другие показатели качества урожая. 

Эффективность применения удобрения азота, может быть более высокой при правильном выборе источника азота. Существует много эффективных способов внесения азотных удобрений. Исходя из времени, оборудования и других составляющих, лучший метод внесения – это то, что мы вообще можем сделать. Обычно, азот, впрыснутый в землю, является наиболее эффективным методом, чем другие методы внесения. Однако и все остальные методы внесения работают хорошо. В статье представлены несколько показателей для потерь азота при вымывании, денитрификации и выветривании.

Использование азотных удобрений возрастает, в то время как при использовании No-Tillнаблюдается следующее: если оставить пожнивные остатки на поверхности земли, то уровень органического вещества сначала может уменьшиться, хотя в последствии, обязательно возрастет. Это связано с высвобождением азота. Оставляя на поверхности земли пожнивные остатки, мы тем самым сохраняем влагу для будущего урожая. Воспользоваться этим дополнительным потенциалом или нет – зависит только от Вас.