Страсти по азоту: аммоний или нитрат?

11.09.2017

Поділитися:

Азот является незаменимым элементом для питания любого растения. Не зря его называют «кормильцем человечества», поскольку именно азот – ключевой компонент белка, который, в свою очередь, является основной жизни на нашей планете. Поэтому переоценить его значение в системе применения удобрений сложно.

Форма азота в удобрении оказывает влияние не только на его усвоение растением, но и на эффективность самого удобрения, а также «диктует» условия наиболее благоприятного применения.
Рассматривая вопрос эффективного менеджмента аммонийного и нитратного азота, должны быть учтены три группы факторов:
1. поведение и превращение разных форм азота в почве;
2. предпочтения растений к источнику азотного питания;
3. экономические и хозяйственно-организационные условия конкретного хозяйства.
Также важным условием является экологическая составляющая данного вопроса, которая, к сожалению, часто недооценивается. Целью любого менеджмента азота должно быть достижение баланса между экономически привлекательным уровнем урожайности культуры и сохранением окружающей среды.
Минеральный азот в почве
Поведение азота в почве достаточно сложно, и понимание процессов его превращения необходимо для достижения высокой эффективности внесенных удобрений.
Трансформация азота в почве происходит под влиянием биологических процессов, которые, в свою очередь, зависят от климатических условий, физических и химических свойств определенной почвы.
Круговорот азота в агроценозе

Биологическое окисление аммония до нитратов носит название нитрификация. Бактерии-нитрификаторы являются облигатными аэробными микроорганизмами, способными жить только в присутствии кислорода, и автотрофами – микроорганизмами, синтезирующими органические вещества из неорганических. Поэтому процесс нитрификации ограничен в анаэробных условиях, создаваемых при избыточном уплотнении почвы и при ее затоплении.
Процесс нитрификации напрямую зависит от почвенных условий и насколько они способствуют развитию нитрифицирующих микроорганизмов. Наиболее благоприятными являются температура выше 20оС (с оптимумом при 26оС), рН почвы в диапазоне 5,5-7,5, достаточное наличие влаги и кислорода.
Нитраты в почве очень мобильны, слабо в ней фиксируются, и на легких почвах могут быть легко вымыты из корнеобитаемого горизонта.
Также нитратный азот способен теряться в газообразном виде после прохождения процесса денитрификации, свойственного для затопленных почв.
Аммоний, в отличие от нитрата, способен обменно поглощаться и удерживаться почвой при неблагоприятных для прохождения нитрификации условиях: низкое значение рН, анаэробные условия (например, при переувлажнении почвы), недостаток органического вещества (как источника углерода для бактерий), сухая почва, низкая температура почвы (угнетающая активность бактерий-нитрификаторов).
При благоприятных условиях, нитрификация аммонийного азота начинается уже через 2-3 дня после внесения удобрения и в среднем занимает 5-6 недель. Параллельно проходит нитрификация и почвенного азота. Поэтому в почвенном растворе концентрация NO3- в среднем в 10 раз превышает концентрацию NH4+, и это характерно для многих типов почв.
Предпочтения растений к форме азота
Азот является жизненно важным элементом питания растений, обеспечение которым подвластно человеку. Содержание азота в растениях колеблется от 1 до 5% сухого вещества.
Нормальная обеспеченность растений азотом ассоциируется с интенсивным вегетативным ростом и зеленым окрасом. Дисбаланс в питании растений азотом или его избыток по отношению к другим элементам, например, к фосфору, калию, сере, пролонгирует период вегетативного роста и задерживает наступление стадии созревания.
Растения поглощают азот в двух основных формах: в виде нитрат-иона NO3- и в виде иона аммония NH4+, также небольшое количество азота может поступать в растения в виде мочевины и некоторых других органических соединений. В условиях влажной, теплой и хорошо аэрированной почвы, доминирующим источником азота для растений является нитрат-ион (поскольку в таких условиях активно протекают процессы нитрификации). Аммоний является преобладающим источником азота для растений в анаэробных условиях, например, при выращивании риса.
Преимущественное поглощение растениями нитратного азота связано с тем, что в почве нитраты находятся в почвенном растворе, легко передвигаются с током воды и могут быть легко абсорбированы корнями. Для поглощения же аммония необходим контакт корневого волоска с почвенным поглощающим комплексом, удерживающим NH4+ в обменном состоянии.
Различен и механизм поглощения разных форм азота: аммоний поглощается растениями путем активного транспорта с помощью транспортных белков-переносчиков, поглощение нитратов происходит с помощью электрического потенциала, создаваемого протонами.
Поглощенные нитраты внутри растения восстанавливаются до аммония, поскольку в азотный метаболизм может вовлекаться азот только в виде NH4+. На это дополнительно затрачивается энергия, запасенная в результате процесса фотосинтеза. Таким образом, для растения энергетически «выгоднее» поглощение аммонийного азота.
Восстановление нитратов начинается уже в корнях растений (количество зависит от вида растения), но основная их часть восстанавливается в стебле.
Аммоний, как поглощенный растением из почвенного раствора, так и восстановленный уже внутри самого растения из нитратов, далее связывается с органическими кислотами с образованием аминокислот, часть из которых используется растением для построения белков, а также для синтеза других азотсодержащих соединений, в том числе и хлорофилла.
Разные растения для оптимального роста и развития требуют индивидуального соотношения между аммонийным и нитратным азотом. В общих чертах, растения, предпочитающие кислые почвы, лучше усваивают аммонийный азот, тогда как предпочитающие почвы с высокими значениями рН – нитратный.
Например, для большинства овощных культур количество аммонийного азота не должно превышать 15% общей потребности в азоте (что должно быть учтено особенно при выращивании культур на гидропонике). Для большинства однодольных культур преимущество также имеет нитратный азот.
Баланс между формами азота очень важно соблюдать при выращивании рассады. Так, замечено, что аммонийный азот способствует развитию надземной биомассы, в особенности листьев, тогда как нитратное питание обеспечивает лучший баланс между надземной и подземной частями растения (что важно для последующего приживания рассады в поле).
Форма азота должна учитываться, если удобрение вносят при посеве в непосредственном контакте с семенами. Из двух форм минерального азота, токсичное влияние на растения оказывает ион NH4+, нитратный же азот может накапливаться в растении в достаточно больших концентрациях без негативного влияния на сами растения (в отличие от негативного влияния на животных и человека, употребляющих их в пищу). Как уже было сказано, поглощенный растениями аммонийный азот связывается с органическими кислотами с образованием аминокислот. Если этих самых органических кислот недостаточно, а преимущественным источником азота является аммоний, то может проявляться его токсическое влияние на проростки. Это возможно в случае высева мелкосемянных культур с небольшим количеством запасных органических веществ (например, для свеклы), хотя и другие культуры (например, кукуруза, очень чувствительная к концентрации почвенного раствора в начале вегетации) также могут страдать от избытка аммония. Тут нужно заметить, что сказанное преимущественно касается случаев, когда аммонийный азот вносится в высоких нормах, в особенности на почвах с низкой способностью обменно поглощать катионы.
Выбор источника минерального азота не должен делаться категорически в пользу одного из них. Наилучшие условия для азотного питания растений складываются в присутствии обоих ионов: NO3- и NH4+ (последнего – в количестве 5-25%). При этом растению легче регулировать внутриклеточное рН.
На поглощение азота растениями оказывают влияние и почвенные условия. Замечено, что нитратный азот лучше поглощается растениями при низких значениях рН, тогда как поглощение аммонийного азота проходит лучше в условиях нейтрального рН и снижается при подкислении.
Форма азота в удобрениях
В удобрениях азот представлен в основном в трех формах: в виде солей аммония, в виде нитратного азота и в виде мочевины. Каждая из форм имеет свои преимущества и свои недостатки, которые должны быть учтены при планировании системы применения удобрений.
Основными преимуществами нитрат-содержащих удобрений по сравнению с аммоний-содержащими можно назвать следующие:
1. Высокая подвижность нитратного азота в почве создает условия для его эффективного поглощения растениями.
2. Нет необходимости немедленной заделки нитрат-содержащих удобрений в почву, поскольку нитраты не летучи и легко мигрируют по профилю почвы с током воды.
3. Нитраты проявляют синергетические свойства по отношению к таким катионам, как K+, Ca2+ и Mg2+ (угнетая при этом поглощение фосфатов), тогда как аммоний конкурирует с ними при поглощении растениями. К слову, это касается не только нитратов, но и других анионов.
4. В отличие от аммонийного азота, нитраты не оказывают подкисляющего действия на почву.
5. Растения, получающие азот в виде нитратов, имеют повышенное содержание органических кислот, что может быть использовано для улучшения вкусовых качеств фуражных и продовольственных растений.
Однако нитрат-содержащие удобрения имеют ряд недостатков, ограничивающих их эффективное применение. Основные из них – это склонность к вымыванию и газообразным потерям азота.
Высокая подвижность нитратов в почве является причиной их высокой склонности к вымыванию из корнеобитаемого слоя почвы. Степень вымывания зависит от ряда факторов, среди которых гранулометрический состав почвы, уровень осадков или интенсивность ирригации, поглощение воды и нитратов растениями. На легких почвах с промывным режимом увлажнения (при орошении и в период избыточного количества осадков) потери азота удобрений могут составлять 10-25%, а иногда и до 50% внесенного количества.
При создании в почве анаэробных условий (весенние паводки, пониженные участки рельефа поля, избыточное орошение) нитратный азот может подвергаться процессу денитрификации – превращения нитратного азота в различные газообразные соединения азота, которые могут теряться в атмосферу и приводить к непродуктивным потерям внесенного азота. В насыщенных влагой почвах при температуре 12-15оС до 25% азота может быть потеряно уже в первые 10 дней. При повышении температуры потери возрастают.
Кроме того, последние исследования доказывают, что денитрификация может протекать (хотя и менее интенсивно) и в аэробных условиях, поскольку в почве всегда есть микрозоны с низким окислительно-восстановительным потенциалом. Наиболее интенсивно денитрификация протекает в плодородных почвах при слабокислой реакции почвенного раствора.
Таким образом, на поведение нитратного азота в почве и его поглощение растениями большое влияние оказывают условия увлажнения. Избыток влаги создает условия для вымывания азота и денитрификации. Недостаток влаги замедляет нитрификационные процессы в почве. Поэтому использование нитрат-содержащих удобрений характеризуется бóльшей «непредсказуемостью» результата, чем аммоний-содержащие удобрения.
Основным преимуществом аммонийного азота в удобрениях по сравнению с нитратным является тот факт, что минеральный азот способен обменно (и необменно) закрепляться в почве только в виде иона аммония, таким образом достигается пролонгирование действия удобрений (а, в результате, повышение эффективности и коэффициента использования азота). Постепенно превращаясь в нитратную форму в результате процесса нитрификации, аммонийный азот длительное время обеспечивает растения доступным азотом.
Кроме прямого действия, азот удобрений оказывает косвенное влияние на азотное питание растений через дополнительное использование азота почвы (т.н. «экстра-азот» – азот почвенных запасов, который высвобождается для поглощения растениями при использовании азотных удобрений). При этом аммонийные удобрения оказывают более существенное влияние на мобилизацию почвенного азота по сравнению с нитратными (аммонийная форма азота активизирует деятельность микроорганизмов, участвующих в минерализационных процессах в почве).
Нужно заметить, что при использовании аммонийных или нитратных удобрений, должны быть учтены не только форма азота, но и побочное влияние удобрений на растения, в частности влияние спровоцированного ими изменения рН на доступность других элементов (марганец, молибден, бор, железо и др.).
Нитрат-содержащие и аммоний-содержащие удобрения разнятся по своему влиянию на рН почвы. Так, удобрения, содержащие азот в виде NH4+, способны подкислять почвенный раствор вблизи гранулы в результате выделения корнями ионов Н+ для сохранения электрического баланса. При поглощении растениями NO3-, рН ризосферы повышается, поскольку восстановление нитратов внутри растений до аммония приводит к образованию ОН- ионов, и растения для сохранения собственного рН баланса либо выделяют в ризосферу анионы (OH- или HCO3-), либо поглощают больше катионов (например, K+, Na+, Mg2+, Ca2+).
Но при оптимальных для нитрификации условиях подкисление почвы при внесении аммонийного азота может быть незаметными, поскольку его превращение в NO3- происходит очень быстро, а поглощение нитратов, в свою очередь, приводит к некоторому повышению рН. Также изменения рН будут мене заметны на высокобуферных почвах.
Кроме прямого действия, изменения рН в ризосферном слое почвы при внесении различных форм азота могут оказать влияние на растворимость и доступность других элементов. Например, подкисление почвенного раствора переводит микроэлементы-металлы в более доступную форму, подщелачивание же снижает их доступность для растений.
Изменения рН почвы будут остро ощущаться преимущественно при использовании технологий нулевой и минимальной обработок почвы, так как азот в этом случае вносится в высоких нормах и концентрируется в верхнем слое почвы.
Для удобрений, содержащих азот в разных формах, влияние на рН зависит от соотношения между разными формами азота. В комплексных NPK удобрениях фосфор оказывает слабое по сравнению с азотом влияние на изменение рН почвенного раствора, калий же практически не оказывает влияния на этот показатель.
Таким образом, форма азота в удобрении должна быть учтена при выборе удобрения и установлении сроков и способов его внесения. Поскольку отечественные аграрии часто не имеют возможности дополнительного внесения азота по вегетации, то единственным его источником остается допосевное внесение.
В случае осеннего внесения удобрений под яровые культуры преимущество будет за удобрениями с аммонийной формой азота, способной фиксироваться почвой и обеспечивать растения азотом более длительный промежуток времени. Это особенно актуально в условиях промывного режима почвы и высокого уровня осадков.
При весеннем внесении под ранние яровые культуры, содержание части азота в виде нитратов желательно, поскольку в это время условия не всегда благоприятны для прохождения процесса нитрификации. При допосевном внесении под поздние яровые культуры принципиальной разницы в форме азота быть не должно, поскольку в это время создаются все условия для быстрого прохождения нитрификации аммонийного азота (занимающего в среднем 1-2 недели).
При посеве часть или весь азот в нитратной форме будет легко доступен молодому растению и окажет положительное влияние на начальный рост. Кроме того, как уже было сказано, высокая концентрация аммонийного азота может оказать негативное влияние на проростки, особенно при внесении высоких норм азота при посеве. Но если припосевное внесение удобрений является единственным сроком, то нитратный азот сможет обеспечить растения только недлительный срок, и в этом случае лучшим вариантом будет присутствие части азота (большей) в аммонийной форме, способного фиксироваться почвой и пролонгировать действие удобрения.
Нитрат-содержащие удобрения будут иметь преимущества при почвенном внесении в период вегетации культуры, поскольку обеспечат быстрый отклик культуры. Также они широко рекомендуются для проведения внекорневых подкормок растений, поскольку, в отличие от аммонийного азота, могут использоваться в достаточно высоких концентрациях без риска ожогов листьев.
И напоследок хотелось бы отметить, что несмотря на теоретические факты усвоения азота и его поведения в почве, при выборе удобрений необходимо руководствоваться и практической целесообразностью.
Во-первых, изменение рН под влиянием азотных удобрений не всегда является негативным фактором: все зависит от характеристик почвы и требований культуры. Так, на карбонатных и засоленных почвах дефицит некоторых элементов (например, P, Zn, Mn, Fe) из-за высоких значений рН может быть до некоторой степени устранен внесением физиологически кислых аммоний-содержащих удобрений, тогда как на кислых почвах дальнейшее подкисление окажет негативное влияние.
Во-вторых, растение поглощает нитратный азот независимо от источника: для него все равно, был ли ион NO3- внесен в почву в виде нитратного удобрения, либо в виде аммония или мочевины, которые в результате также прошли нитрификацию. Более того, в ряде случаев большое количество легкодоступного нитратного азота и стимулируемый им быстрый рост нежелателен.
Именно поэтому с аммонийными и амидными удобрениями применяют ингибиторы нитрификации и уреазы, чтоб замедлить их превращение в легкодоступный («быстрый») нитратный азот, пролонгировать действие удобрений и повысить коэффициент использования азота. Так как период максимального потребления азота растениями наступает в начале фазы интенсивного роста, ингибирование процессов превращения азота в почве сдвигает время его потребления к более желательному для культуры.