Виникнення сучасної проблеми азоту в мінеральному живленні рослин у землеробстві різних країн світу можна пояснити трьома головними причинами. Ці причини передусім пов’язані з наявністю трьох міцних ковалентних зв’язків між атомами в молекулі азоту, на розривання яких потрібно витратити велику кількість енергії, низьким вмістом у ґрунті мінеральних форм азоту та недостатнім використанням можливостей бобових культур у поповненні ґрунтових запасів біологічним азотом.

Розглянемо кожну з цих причин більш детально.

По-­перше, сільськогосподарські рослини, крім бобових культур, не здатні безпосередньо споживати азот із повітря, який становить 78,2% його об’єму і 75,6% маси. У фізичній вазі кількість молекулярного азоту в атмосфері дуже велика. Так, над кожним гектаром земної поверхні в атмосфері є близько 70 тис. тонн молекулярного, на превеликий жаль, не доступного для рослин азоту.

На нашій планеті запаси молекулярного газоподібного азоту практично невичерпні – 3,8·1015т. Однак, незважаючи на таку велику кількість молекулярного азоту, кількість хімічно зв’язаного азоту, що зазвичай утворюється в атмосфері під час грозових розрядів, невелика – до 2–5 кг/га щорічно. Цей азот у вигляді аміаку та нітратів разом з опадами надходить в ґрунт, але його кількість незначна, і він жодною мірою не в змозі вирішити цієї важливої проблеми, навіть частково. Тобто за рахунок грозових розрядів, які виникають в атмосфері навесні та влітку за дощової погоди під час блискавок, неможливо повністю забезпечити потребу рослин у мінеральному азоті. Отже, небіологічні процеси фіксації азоту за рахунок грозових розрядів та під впливом ультрафіолетових променів у кількісному відношенні не суттєві, оскільки разом дають не більше ніж 0,5% хімічно зв’язаного азоту.

Лише бобові рослини за допомогою бульбочкових бактерій здатні засвоювати цей елемент мінерального живлення безпосередньо з атмосферного повітря, переводячи його в амонійну та нітратну форми у значній кількості. З цією метою насіння бобових культур інокулюють спеціальними бактеріальними препаратами, які містять у своєму складі бульбочкові бактерії, що проникають через клітинні оболонки в цитоплазми, інтенсивно розмножуються і фіксують атмосферний азот, забезпечуючи ним бобові культури впродовж їх вегетації. Бобові культури, в свою чергу, забезпечують ці бактерії готовими органічними речовинами. Таким чином, між ними виникає симбіоз.

За таких умов мікробіологічне зв’язування молекулярного азоту атмосфери забезпечує його перехід від інертного до мобільного і здійснюється великою групою мікроорганізмів, поширених у різних ґрунтах. У цьому випадку відношення бульбочкових бактерій і бобових рослин взаємовигідні.

За рахунок бульбочкових бактерій у ґрунт може надходити від 80 до 200 кг/га біологічного азоту. Всі інші рослини, крім бобових, вирішувати проблему азотного живлення таким чином не в змозі, їм потрібно надати готовий для споживання азот у мінеральній формі. Вільноживучі азотфіксуючі ґрунтові бактерії також не спроможні вирішити цю проблему, оскільки вони переводять атмосферний молекулярний азот у мінеральну форму в незначній кількості. Відтак потрібно шукати інші, більш надійні джерела надходження в ґрунт цього досить важливого елемента мінерального живлення рослин.

По-­друге, головним джерелом азоту в ґрунті для живлення рослин є вміст у ньому мінеральних форм азоту (амонійного та нітратного), а також лабільної азотовмісної органічної речовини, здатної за сприятливих метеорологічних умов до швидкої мінералізації.

Однак, на превеликий жаль, практично весь азот в орних ґрунтах України міститься в негідролізованих органічних сполуках, тобто у важкорозчинній і не доступній для рослин формі.

Джерелом надходження органічних сполук у ґрунт є органічні добрива та різні рослинні рештки. Давайте проведемо прості математичні розрахунки і подивимось, яку кількість доступного для рослин мінерального азоту можна отримати за внесення органічних добрив.

Для отримання 100–150 кг доступних для живлення рослин мінеральних форм азоту (враховуючи, що в гумусі утримується близько 5% азоту) має мінералізуватись 2–3 т/га гумусу. Прості розрахунки показують, що одна тонна гною на чорноземах утворює близько 0,07 тонни гумусу, тобто для відновлення 2–3 тонн гумусу необхідно вносити щорічно не менше ніж 30–40 т/га гною, якого в нашій державі в такій кількості нині немає. Це пов’язано з різким скороченням чисельності поголів’я великої рогатої худоби. Наслідком цього є отриманий невтішний результат: у ґрунтах України доступного для рослин азоту у вигляді нітратів і сполук амонію дуже мало. До того ж, основна маса азоту ґрунту входить до складу різних органічних сполук, рослинних решток та перегнійних речовин і перебуває в недоступному для живлення рослин стані. В них зосереджена основна маса ґрунтового азоту.

Вміст загального азоту в орному шарі різних типів ґрунтів невисокий: він варіює від 0,05 до 0,3% і прямо залежить від наявності в них органічних речовин. Запаси його в орному шарі ґрунту становлять від 2,4 до 8,7 т/га. Дослідження, проведені на основі великого масиву даних, показали, що існує пряма залежність (коефіцієнт кореляції r>0,9) між вмістом у ґрунтах загального азоту і гумусу. Ґрунтові відміни нечорноземної зони містять такі кількості валового азоту: супіщані 0,05–0,07%, суглинкові 0,10–0,20, глинисті 0,10–0,23, торф’яні 0,5–1%.

Надзвичайно важливу роль як джерело азоту в ґрунті відіграє гумус, але в більшості ґрунтів України його запаси поступово зменшуються. Найменше гумусу в ґрунтах Полісся (2,0%), значно більше – в Лісостепу (3,6%) і Степу (3,5%). Цей показник варіює досить сильно по окремих адміністративних областях: поліських – від 1,6 до 2,8%, лісостепових – від 2,8 до 4,9%, степових – від 2,3 до 4,5%.

Слід зауважити, що гумус у ґрунті міститься у стані постійного оновлення, і тому потрібно дбати, щоб його синтез перевершував розклад, а баланс завжди був тільки позитивним. Лише в такому випадку в ґрунті завжди буде достатня кількість мінеральних форм азоту, яких у більшості випадків не вистачає для забезпечення потреб рослин.

У ґрунті, за створення в ньому сприятливих умов для проходження мінералізації, азотовмісні органічні сполуки рослинних решток під впливом амоніфікуючих і нітрифікуючих бактерій поступово перетворюються на катіони NH4+ та аніони NO3– і потім поглинаються корінням рослин.

Спочатку амоніфікуючі бактерії, актиноміцети, мікроскопічні гриби проводять мінералізацію органічної речовини в ґрунті з подальшим вивільненням із неї доступного для рослин амонійного азоту. Надалі в окисленні аміачних солей до азотистої кислоти (перша фаза) беруть участь бактерії роду Nitrosomonas, Nitrocystis і Nitrosospira, а до азотної кислоти (друга фаза) – бактерії роду Nitrobacter.

В основі нітрифікації лежить дегідрування аміаку, що здійснюється ферментом дегідразою, і з’єднання азоту з киснем за допомогою відповідних оксидаз. Цей процес можливий за певних умов, а саме: оптимальної (22–25°С) температури ґрунту, близької до нейтральної реакції ґрунтового розчину, наявності кисню й вологи, спеціальних мікроорганізмів­-нітрифікаторів. Фактично процес нітрифікації триває з кінця весни до середини осені. Таким чином, трансформація азоту найтіснішим чином пов’язана з ґрунтовою мікрофлорою, і від її діяльності залежить азотний режим ґрунту, тобто кількість у ньому мінеральних форм азоту.

Процес мінералізації органічної речовини найбільш активно проходить за створення в ґрунті сприятливого гідротермічного режиму. Немає жодного процесу в ґрунті, у якому б не брала активної участі мікрофлора. Під час сільськогосподарського використання ґрунтів, займаючись землеробством, людина розорює їх, вносить різноманітні види токсичних речовин у вигляді пестицидів (гербіцидів, фунгіцидів, інсектицидів, дефоліантів тощо), важких металів і т. ін., які внаслідок своєї сукупної дії зменшують кількість у ґрунті корисної мікрофлори, в результаті чого погіршується азотний режим ґрунту.

Поряд із мінеральним азотом може бути доступним для рослин ще і легкогідролізований азот, який служить першим резервом для збагачення ґрунтів на мінеральні форми азоту. В основному він представлений азотом амідів та амінокислот, які можуть швидко мінералізуватись і забезпечувати рослини мінеральними формами азоту впродовж всього вегетаційного періоду. Але середньозважений вміст легкогідролізованого азоту в ґрунтах України невисокий і становить всього лише 105,4 мг/кг ґрунту. В цілому в ґрунтах України переважає дуже низький вміст легкогідролізованого азоту на більшій частині площ орних земель (93,1% площ), у тому числі на Поліссі – 90,5%, в Лісостепу – 94,3% та Степу – 93,3% наявних посівних площ.

Слабкодоступним і майже недоступним для рослин у ґрунті є відповідно важкогідролізований і негідролізований азот. Важкогідролізований азот – можливий подальший резерв для збагачення ґрунтів на мінеральні форми азоту; цей азот представлений тільки амінами, частиною необмінного аміаку та азотом гумінів, а негідролізований – меланінами, бітумами, необмінним амонієм й майже не бере участі в азотному обміні між ґрунтом і рослиною.

По­-третє, в умовах сучасного землеробства, крім поповнення ґрунту азотом, постійно відбувається його витрачання внаслідок використання рослинами і винесення з урожаєм, а також у результаті вимивання з ґрунту опадами і поливними водами нітратної форми азоту. В рослинах, і особливо в їх генеративних органах, міститься велика кількість азоту, яка щороку вилучається з полів з основною продукцією. Значна кількість азоту втрачається за рахунок сильного розвитку ерозійних процесів й особливо денітрифікації та з інших причин як із самого ґрунту, так і з внесених у нього азотних добрив. Значні втрати азоту викликає денітрифікація, яка проходить під впливом денітрифікуючих бактерій і призводить до втрачання цього поживного елемента у вигляді молекулярного азоту або його оксидів NO та N2O. Здійснюється денітрифікація численною групою бактерій, що мають загальну назву денітрифікатори (Bact. denitrificans, Bact. stutzeri, Bact. fiuorescens і ін.).

Як свідчать результати досліджень, найбільша частка втрат азоту із всіх перелічених вище видів все ж таки відбувається за рахунок процесів денітрифікації і надходження різних газоподібних форм азотних сполук в атмосферу. Внаслідок цього збіднюються й так невеликі запаси мінерального азоту в ґрунті.

Втручання людини у багатовіковий процес ґрунтоутворення, насамперед розорювання цілинних земель, внесло суттєві зміни у природний замкнений колообіг поживних речовин, який віками постійно проходив у ґрунті.

Використання ґрунтів для сільськогосподарського виробництва призвело до інтенсифікації мінералізації органічної речовини ґрунту, порушення складного процесу відтворення головних показників їх потенційної родючості. Натомість стали активно розвиватись різні види деградації ґрунтів, пов’язані з погіршенням фізичних, агрохімічних та фізико­-хімічних показників. Особливо сильне занепокоєння викликає дегуміфікація, яка охопила всі без винятку типи ґрунтів України й зумовлює систематичне поступове зменшення вмісту в них гумусу, водночас збіднюючи їх азотний фонд. За таких умов вирощування сільськогосподарських культур на наших полях відбувається інтенсивне розкладання гумусу, яке значно перевершує його синтез і призводить до виникнення дефіциту в ґрунті поживних речовин.

Цілком очевидно, що в нинішніх умовах господарювання на українських ґрунтах сучасних агрохолдингів, корпорацій і фермерських господарств з різною формою власності всі зусилля їх керівників спрямовані на максимальне використання наявних запасів поживних речовин, особливо ґрунтового азоту, за рахунок впровадження у виробництво інтенсивних технологій вирощування, передусім тих сільськогосподарських культур, які забезпечують високу рентабельність, – переважно соняшнику, ріпаку та кукурудзи, і це відбувається на фоні практичного виведення із сівозміни зернобобових і багаторічних трав.

За таких умов господарювання азотний фонд ґрунтів невдовзі може бути повністю вичерпаним. Тому в ґрунт потрібно постійно повертати винесені з нього врожаями поживні речовини шляхом внесення добрив і відновлювати втрачені запаси гумусу.