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 (рис. 1).
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 (рис. 2).
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.
Читати по темі: Внесення рідких органічних добрив
Результати агрохімічних аналізів переконливо показують, що тільки приблизно 1% азоту від загальної кількості його ґрунтових запасів перебуває у вигляді мінеральних сполук, які можуть поглинатися з ґрунтового розчину кореневими волосками рослин. Багатші на органічні речовини чорноземні ґрунти містять у своєму складі трохи більше мінерального азоту, але навіть їх запаси також порівняно невеликі: всього лише 2–3% від загальних азотних запасів. У зв’язку з цим у більшості випадків і в цих ґрунтах, особливо після поганих попередників (соняшнику, зернової кукурудзи, сорго та ін.) у ґрунтовому розчині для рослин сільськогосподарських культур залишається дуже мало мінеральних форм азоту.
Постачання рослинам мінеральних форм азоту з органічних речовин ґрунту можливе лише після їх мінералізації за активної участі ґрунтових мікроорганізмів і ферментів, а для цього потрібно, щоб у ґрунті склався сприятливий для мікробіоти температурний і водний режим, за якого вона зможе активно розмножуватись і виконувати свої функції. У цьому випадку сприятливі температура і вологість – це лише умови для розкладу органічної речовини, а сам процес її мінералізації відбувається під впливом дощових черв’яків, мікроорганізмів і ферментів, які ці мікроорганізми виділяють у ґрунтовий розчин. Органічна речовина ґрунту служить субстратом і джерелом енергії для ґрунтової мікрофлори. Від її кількості й хімічного складу залежить характер та інтенсивність мікробіологічних процесів, що проходять у ґрунті (рис. 3).
Перші дослідження з вивчення процесу мікробіологічного розкладання органічної речовини, перетворення її в гумус і подальшої його мінералізації з утворенням амонійного та нітратного азоту почав проводити ще в 1880 році П. А. Костичев, який належить до плеяди вчених, що були піонерами з вивчення цього досить важливого природного процесу. Йому, між іншим, належить висновок, що темнозабарвлені продукти розкладання рослинних тканин (гумусні речовини) не утворюються за присутності лише одних бактерій, а є результатом сумісної життєдіяльності бактеріальних і грибкових мікроорганізмів, актиноміцетів та хімічної взаємодії складових частин розкладаючого органічного азотовмісного матеріалу. Амоніфікуючі бактерії, актиноміцети, мікроскопічні гриби й інші мікроорганізми обумовлюють мінералізацію органічної речовини ґрунту і здійснюють вивільнення доступних для рослин спочатку амонійного, а потім і нітратного азоту. На сьогодні процес мікробіологічного розкладання органічної речовини широко використовується в технологічному процесі при виробництві біогумусу та при виготовленні компостів.
У ґрунті постійно відбувається такий процес: органічна азотовмісна речовина послідовно перетворюється на мінеральні форми азоту: >NH2+>NH4+>NO3– Однак чисельність мікроорганізмів, які беруть участь у мінералізації органічних решток і метаболізмі азоту, під впливом антропогенного чинника постійно зменшується (табл. 1). Це пов’язано насамперед зі зменшенням вмісту гумусу в ґрунті (рис. 4), викликаним різким скороченням внесення у ґрунт органічних добрив (рис. 6).
У результаті в ґрунтах нашої держави з року в рік формується від’ємний баланс гумусу (рис. 5).
Існує доволі тісна залежність між кількістю внесених у ґрунт органічних добрив і вмістом у ньому гумусу (рис. 6, 7).
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 (табл. 1).
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.
С. М. Крамарьов, О. С. Крамарьов, В. Г. Демиденко, К. О. Хорошун, С. С. Пісоцький, В. Ю. Бондарь, С. М. Рубан, К. П. Цуркан, Дніпровський державний аграрно-економічний університет
Опубліковано в журналі “Агроном”, 2024
