Возникновение современной проблемы азота в минеральном питании растений в земледелии разных стран мира можно объяснить тремя главными причинами. Эти причины прежде всего связаны с наличием трех прочных ковалентных связей между атомами в молекуле азота, на разрыв которых нужно потратить большое количество энергии, низким содержанием в почве минеральных форм азота и недостаточным использованием возможностей бобовых культур в пополнении грунтовых запасов биологическим азотом.

Рассмотрим каждую из этих причин более подробно.

Во-первых, сельскохозяйственные растения кроме бобовых культур не способны непосредственно потреблять азот из воздуха, который составляет 78,2% его объема и 75,6% массы. В физическом весе количество молекулярного азота в атмосфере очень велико. Так, над каждым гектаром земной поверхности в атмосфере имеется около 70 тыс. тонн молекулярного, к большому сожалению, не доступного для растений азота.

На нашей планете запасы молекулярного газообразного азота практически неисчерпаемы – 3,8·1015т. Однако, несмотря на такое большое количество молекулярного азота, количество химически связанного азота, обычно образующегося в атмосфере во время грозовых разрядов, невелико – до 2–5 кг/га ежегодно. Этот азот в виде аммиака и нитратов вместе с осадками поступает в почву, но его количество незначительно, и он ни в коей мере не в состоянии решить эту важную проблему, даже частично. То есть за счет грозовых разрядов, возникающих в атмосфере весной и летом в дождливую погоду во время молний, ​​невозможно полностью обеспечить потребность растений в минеральном азоте. Следовательно, небиологические процессы фиксации азота за счет грозовых разрядов и под влиянием ультрафиолетовых лучей в количественном отношении не существенны, поскольку вместе дают не более 0,5% химически связанного азота.

Только бобовые растения с помощью пузырьковых бактерий способны усваивать этот элемент минерального питания непосредственно из атмосферного воздуха, переводя его в аммонийную и нитратную формы в значительном количестве. С этой целью семена бобовых культур инокулируют специальными бактериальными препаратами, которые содержат в своем составе клубеньковые бактерии, проникающие через клеточные оболочки в цитоплазму, интенсивно размножаются и фиксируют атмосферный азот, обеспечивая им бобовые культуры в течение их вегетации. Бобовые культуры, в свою очередь, снабжают эти бактерии готовыми органическими веществами. Таким образом, между ними возникает симбиоз.

В таких условиях микробиологическое связывание молекулярного азота атмосферы обеспечивает его переход от инертного к мобильному и осуществляется большой группой микроорганизмов, распространенных в разных почвах. В этом случае отношения клубеньковых бактерий и бобовых растений взаимовыгодны.

За счет клубеньковых бактерий в почву может поступать от 80 до 200 кг/га биологического азота. Все остальные растения, кроме бобовых, решать проблему азотного питания таким образом не могут, им нужно предоставить готовый для потребления азот в минеральной форме. Свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии также не способны решить эту проблему, поскольку они переводят атмосферный молекулярный азот в минеральную форму в незначительном количестве. Следовательно, нужно искать другие, более надежные источники поступления в почву этого достаточно важного элемента минерального питания растений.

Во-вторых, главным источником азота в почве для питания растений является содержание в нем минеральных форм азота (аммонийного и нитратного), а также лабильного азотсодержащего органического вещества, способного при благоприятных метеорологических условиях быстрой минерализации.

Однако, к большому сожалению, практически весь азот в пахотных почвах Украины содержится в негидролизованных органических соединениях, то есть в труднорастворимой и недоступной для растений форме.

Источником поступления органических соединений в почву являются органические удобрения и разные растительные остатки. Давайте проведем простые математические расчеты и посмотрим, какое количество доступного для растений минерального азота можно получить при внесении органических удобрений.

Для получения 100–150 кг доступных для питания растений минеральных форм азота (учитывая, что в гумусе содержится около 5% азота) должно минерализоваться 2–3 т/га гумуса. Простые расчеты показывают, что одна тонна навоза на черноземах образует около 0,07 тонн гумуса, то есть для восстановления 2–3 тонн гумуса необходимо вносить ежегодно не менее 30–40 т/га навоза, которого в нашем государстве в таком количестве сейчас нет. Это связано с резким сокращением численности поголовья крупного рогатого скота. Следствием этого является неутешительный результат: в почвах Украины доступного для растений азота в виде нитратов и соединений аммония очень мало. К тому же основная масса азота почвы входит в состав различных органических соединений, растительных остатков и перегнойных веществ и находится в недоступном для питания растений состоянии. В них сосредоточена основная масса грунтового азота.

Содержание общего азота в пахотном слое разных типов почв невысокое: он варьирует от 0,05 до 0,3% и напрямую зависит от наличия в них органических веществ. Запасы его в пахотном слое почвы составляют от 2,4 до 8,7 т/га. Исследования, проведенные на основе большого массива данных, показали, что существует прямая зависимость (коэффициент корреляции r>0,9) между содержанием в почвах общего азота и гумуса. Грунтовые отмены нечерноземной зоны содержат следующие количества валового азота: супесчаные 0,05-0,07%, суглинистые 0,10-0,20, глинистые 0,10-0,23, торфяные 0,5-1%.

Чрезвычайно важную роль как источник азота в почве играет гумус, но в большинстве почв Украины его запасы постепенно уменьшаются. Меньше всего гумуса в почвах Полесья (2,0%), значительно больше – в Лесостепи (3,6%) и Степи (3,5%). Этот показатель варьирует достаточно сильно по отдельным административным областям: полесским – от 1,6 до 2,8%, лесостепным – от 2,8 до 4,9%, степным – от 2,3 до 4,5%.

Следует заметить, что гумус в почве находится в состоянии постоянного обновления, и поэтому нужно заботиться о том, чтобы его синтез превосходил расписание, а баланс всегда был только положительным. Только в таком случае в почве всегда будет достаточное количество минеральных форм азота, которых в большинстве случаев недостаточно для обеспечения потребностей растений.

В почве, при создании в нем благоприятных условий для прохождения минерализации, азотсодержащие органические соединения растительных остатков под влиянием аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий постепенно превращаются в катионы NH4+ и анионы NO3– и затем поглощаются корнями растений.

Сначала аммонифицирующие бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы проводят минерализацию органического вещества в почве с последующим высвобождением из нее доступного для растений аммонийного азота. В дальнейшем в окислении аммиачных солей до азотистой кислоты (первая фаза) участвуют бактерии рода Nitrosomonas, Nitrocystis и Nitrosospira, а к азотной кислоте (вторая фаза) – бактерии рода Nitrobacter.

В основе нитрификации лежит дегидрирование аммиака, осуществляемое ферментом дегидразой, и соединение азота с кислородом посредством соответствующих оксидаз. Этот процесс возможен при определенных условиях, а именно: оптимальной (22-25 ° С) температуры почвы, близкой к нейтральной реакции почвенного раствора, наличия кислорода и влаги, специальных микроорганизмов-нитрификаторов. Фактически процесс нитрификации продолжается с конца весны до середины осени. Таким образом, трансформация азота теснейшим образом связана с почвенной микрофлорой, и от ее деятельности зависит азотный режим почвы, то есть количество в нем минеральных форм азота.

Процесс минерализации органического вещества наиболее активно проходит при создании в почве благоприятного гидротермического режима. Нет ни одного процесса в почве, в которой бы не принимала активного участия микрофлора. Во время сельскохозяйственного использования почв, занимаясь земледелием, человек разоряет их, вносит различные виды токсичных веществ в виде пестицидов (гербицидов, фунгицидов, инсектицидов, дефолиантов и т.д.), тяжелых металлов и т.п., которые в результате своего совокупного действия уменьшают количество в почве полезной микрофлоры, в результате чего ухудшается азотный режим почвы

Наряду с минеральным азотом может быть доступен для растений еще и легкогидрализованный азот, который служит первым резервом для обогащения грунтов на минеральные формы азота. В основном он представлен азотом амидов и аминокислот, которые могут быстро минерализоваться и снабжать растения минеральными формами азота на протяжении всего вегетационного периода. Но средневзвешенное содержание легкогидролизованного азота в почвах Украины невысокое и составляет всего лишь 105,4 мг/кг почвы. В целом в почвах Украины преобладает очень низкое содержание легкогидролизованного азота на большей части площадей пахотных земель (93,1% площадей), в том числе на Полесье – 90,5%, в Лесостепи – 94,3% и Степи – 93,3%. имеющихся посевных площадей.

Слабодоступным и почти недоступным для растений в почве, соответственно, тяжело гидролизованный и негидрализованный азот. Тяжелогидрализованный азот – возможный дальнейший резерв для обогащения грунтов на минеральные формы азота; этот азот представлен только аминами, частью необменного аммиака и азотом гуминов, а негидролизованный – меланинами, битумами, необменным аммонием и почти не участвует в азотном обмене между почвой и растением.

В-третьих, в условиях современного земледелия, кроме пополнения почвы азотом, постоянно происходит его расходование в результате использования растениями и уноса с урожаем, а также в результате вымывания из почвы осадками и поливными водами нитратной формы азота. В растениях, особенно в их генеративных органах, содержится большое количество азота, которое ежегодно изымается из полей с основной продукцией. Значительное количество азота теряется за счет сильного развития эрозионных процессов и особенно денитрификации и по другим причинам как по самой почве, так и по внесенным в него азотным удобрениям. Значительные потери азота вызывает денитрификации, которая проходит под влиянием денитрифицирующих бактерий и приводит к терянию этого питательного элемента в виде молекулярного азота или его оксидов NO и N2O. Осуществляется денитрификация многочисленной группой бактерий, имеющих общее название денитрификаторы (Bact. denitrificans, Bact. stutzeri, Bact. fiuorescens и др.).

Как свидетельствуют результаты исследований, наибольшая доля потерь азота из всех вышеперечисленных видов все же происходит за счет процессов денитрификации и поступления различных газообразных форм азотных соединений в атмосферу. В результате обедняются и так небольшие запасы минерального азота в почве.

Вмешательство человека в многовековой процесс почвообразования, прежде всего распашка целинных земель, внесло существенные изменения в естественный замкнутый круговорот питательных веществ, который постоянно проходил в почве.

Использование почв для сельскохозяйственного производства привело к интенсификации минерализации органического вещества почвы, нарушению сложного процесса воспроизводства главных показателей их потенциального плодородия. Вместо этого стали активно развиваться различные виды деградации почв, связанные с ухудшением физических, агрохимических и физико-химических показателей. Особенно сильное беспокойство вызывает дегумификация, охватившая все без исключения типы почв Украины и обуславливающая систематическое постепенное уменьшение содержания в них гумуса, одновременно обедняя их азотный фонд. В таких условиях выращивание сельскохозяйственных культур на наших полях происходит интенсивное разложение гумуса, которое значительно превосходит его синтез и приводит к возникновению дефицита в почве питательных веществ.

Совершенно очевидно, что в нынешних условиях хозяйствования на украинских почвах современных агрохолдингов, корпораций и фермерских хозяйств с разной формой собственности все усилия их руководителей направлены на максимальное использование имеющихся запасов питательных веществ, особенно грунтового азота, за счет внедрения в производство интенсивных технологий выращивания, прежде всего сельскохозяйственных культур, обеспечивающих высокую рентабельность – преимущественно подсолнечника, рапса и кукурузы, и это происходит на фоне практического вывода из севооборота зернобобовых и многолетних трав.

В таких условиях хозяйствование азотный фонд почв вскоре может быть полностью исчерпан. Поэтому в грунт нужно постоянно возвращать вынесенные из него урожаями питательные вещества путем внесения удобрений и восстанавливать утраченные запасы гумуса.