Количество нитратов при орошении в верхнем слое почвы

Обновлено: 05.10.2024

Л. Ф. Попова, Н. В. Шевчинская

Поморский государственный университет, г. Архангельск

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ НИТРАТОВ

В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ПОЧВ

СЕЛИТЕБНОГО ЛАНДШАФТА АРХАНГЕЛЬСКА

Ключевые слова: нитраты; селитебный ландшафт; культуроземы; урбаноземы; реплантоземы.

Защита окружающей среды предполагает постоянный аналитический контроль (мониторинг) разных природных объектов (воздуха, воды, почвы, растений, пищевых продуктов, сельскохозяйственной продукции, кормов для животных), который направлен на получение объективной информации о содержании вредных компонентов в окружающей среде. Степень ответственности при проведении анализа объектов окружающей среды очень велика. Неверно определенная степень экологических нагрузок на природные системы при регулировании их качеств может вызвать геохимические и геофизические изменения: закисление природных вод кислотными дождями, загрязнение Мирового океана, нарушение озонового слоя.

Стремительный рост числа публикаций об увеличении концентрации нитратов в почвах, водах, продуктах растениеводства, недостаточно критический анализ нитратов или отсутствие такового вообще породили как массу спекулятивных гипотез о причинах и последствиях негативного влияния нитратов, так и не совсем объективных и научно обоснованных предположений о нитратной проблеме и ее решении. Проблема нитратного загрязнения приобретает все большую актуальность, поскольку постоянно возрастает как количество, так и скорость круговорота нитратного азота в окружающей среде, растет его воздействие на природные системы, человека и животных [3].

На кафедре химии ПГУ в течение нескольких лет поводятся работы по определению нитратов в почвах города Архангельска. Для их определения используется два метода: прямая потенциометрия и фотоэлектроколориметрия.

Потенциометрия как метод электрохимического анализа занимает достойное место среди методов контроля состояния окружающей среды. Метод прямой потенциометрии основан на использовании различного рода ионоселективных электродов (ИСЭ), которые дают прямую информацию о концентрации анализируемого объекта. ИСЭ отвечают всем основным требованиям, предъявляемым к химическим сенсорам. Это малые габариты, простота эксплуатации, обратимость процессов, возможность непрерывного измерения и автоматизированного использования.

Определение нитрат-ионов проводилось ионометрически по ГОСТ 26951-86 [2].

Фотоэлектроколориметрический метод анализа также как и всеспектроскопические методы основан на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Этот метод обладает высокой чувствительностью и хорошей воспризводимостью, селективностью, прост по выполнению измерений, использует относительно несложную аппаратуру. Фотоэлектроколориметрические методы относятся к объективным методам, так как интенсивность окраски растворов оценивают с помощью специальных устройств – фотоэлементов, в основе работы которых лежит явление фотоэффекта.

Определение нитрат-ионов проводилось по методу ЦИНАО (ГОСТ 26488 – 86) [1].

Используемые методы определения нитрат-ионов были оценены по правильности и воспроизводимости с помощью критерии Фишера (F-критерий), и Стьюдента (t-критерий). Табличные значения F-критерия и t-критерия (при  = 0,95 и k = 2) равны F табл. = 19,20, t табл. = 4,303. Экспериментальные значения F эксп. находились в интервале 13,3-1,41, а t эксп. в интервале 2,06-0,36, что меньше соответствующих табличных значений, поэтому полученные этими методами данные можно рассматривать как одну выборочную совокупность.

Нитраты определяли в различных типах почв г. Архангельска (урбанозёмы, реплантозёмы, урбоестественные почвы). В качестве контроля использовали природную маломощную легкосуглинистую почву пригорода в районе деревни Бабонегово.

Нами установлено, что содержание нитратов в почвах города Архангельска колеблется от 3,130,25 мг/кг почвы до 97,301,72 мг/кг почвы и не превышает ПДК (130 мг/кг). Проанализированные почвы г. Архангельска по содержанию в них нитратов можно разделить на 3 группы:

низкое (71 мг/кг) – 14%;

Практически на всех пробных площадей (далее ПП) содержание нитратов больше, чем в естественной почве (6,420,33 мг/кг). Это может быть связано с антропогенным загрязнением окружающей среды соединениями азота и мощными широко распространенными посадками бобовых культур во дворах и на городских газонах.

Содержание нитратов в различных типах почв неодинаково (см. табл. 1). Самое высокое содержание нитратов обнаружено в урбанозёмах. Урбанозёмы отличаются наличием гумусового горизонта, это перемещенный горизонт с примесью антропогенных включений. Следовательно, к количеству нитратов, образующихся на этих почвах в результате процессов нитрификации при разложении органических веществ почвы, присоединяются еще и нитраты, поступающие в почву в результате антропогенного загрязнения. Немного меньше нитратов в реплантозёмах. Реплантоземы созданы путем смешивания торфа с песком при благоустройстве территории, а толща наполнена строительным мусором. Обнаружившиеся в нем нитраты, в основном антропогенной природы. Наименьшее содержание нитратов наблюдается в урбоестественных почвах. Возможно, это связано с особенностями этого типа почв города. Они близки по свойствам к естественным почвам. В силу своей достаточной сформированности урбоестественные почвы способны в полной мере выполнять функциональную роль, связанную с очисткой среды и обеспечением биологического круговорота веществ. Концентрация нитрат-ионов в них наиболее приближены к естественной почве (контролю).

Таблица 1. Среднее содержание нитратов, мг/кг, в различных типах почв г. Архангельска

Стандарт распространяется на почвы, вскрышные и вмещающие породы и устанавливает метод определения массовой доли нитратов при почвенном, агрохимическом, мелиоративном обследовании угодий, контроле за состоянием почв, а также при проведении других изыскательских и исследовательских работ. Стандарт не распространяется на анализ проб с массовой долей иона хлорида в 50 раз превышающей массовую долю нитратов.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
СОЮЗА ССР

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИТРАТОВ
ИОНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

ГОСТ 26951-86

Государственный комитет по стандартам
Москва

РАЗРАБОТАН Государственным агропромышленным комитетом СССР

ИСПОЛНИТЕЛИ

Л.М. Державин, С.Г. Самохвалов, Н.В. Соколова, В.Г. Прижукова, М.Н. Арсеньева, Т.С. Груздева, Г.К. Кондратьева

ВНЕСЕН Всесоюзным производственно-научным объединением по агрохимическому обслуживанию сельского хозяйства Госагропрома СССР

Зам. председателя А.М. Артюшин

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 июня 1986 г. № 1950

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА СССР

Определение нитратов ионометрическим методом

Soils. Determination of nitrates by ionometric method

ГОСТ
26951-86

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 июня 1986 г. № 1950 срок действия установлен

с 01.07.87
до 01.07.92

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

Настоящий стандарт распространяется на почвы, вскрышные и вмещающие породы и устанавливает метод определения массовой доли нитратов при почвенном, агрохимическом, мелиоративном обследовании угодий, контроле за состоянием почв, а также при проведении других изыскательских и исследовательских работ.

Стандарт не распространяется на анализ проб с массовой долей иона хлорида в 50 раз превышающей массовую долю нитратов.

Сущность метода заключается в извлечении нитратов раствором алюмокалиевых квасцов с массовой долей 1 % или раствором сернокислого калия концентрации с ( 1 /₂ K ₂ SO ₄ ) = 1 моль/дм 3 (1 н.) при соотношении массы пробы почвы и объема раствора 1:2,5 и последующем определении нитратов в вытяжке с помощью ионоселективного электрода.

Предельные значения суммарной относительной погрешности метода при двусторонней доверительной вероятности Р = 0,95 составляют:

30 % - при массовой доле азота нитратов в почве до 10 млн -1 ;

20 % - св. 10 млн -1 .

1.1. Пробы почвы анализируют в состоянии естественной влажности, но не более чем через 5 ч после их отбора или доводят до воздушно-сухого состояния путем подсушивания при температуре до 40 °С. Допускается хранение проб в состоянии естественной влажности не более 2 сут. при температуре 1 - 5 °С, после чего они должны быть проанализированы или высушены.

1.2. Пробы в воздушно-сухом состоянии измельчают, пропускают через сито с круглыми отверстиями диаметром 1 - 2 мм и помещают в коробки или пакеты. Пробу на анализ из коробки отбирают шпателем или ложкой, предварительно перемешав почву на всю глубину коробки. Из пакетов пробу высыпают на ровную поверхность, тщательно перемешивают, распределяют слоем не более 1 см и отбирают не менее чем из пяти точек пробу для анализа массой 20,0 г.

1.3. Пробы в состоянии естественной влажности тщательно перемешивают, распределяют слоем толщиной не более 1 см на ровной поверхности и отбирают не менее чем из десяти точек пробу для анализа массой 20,0 г. Аналогично отбирают для определения влажности пробу массой 5 - 10 г.

Иономер или рН-метр милливольтметр с погрешностью измерений не более 5 мВ.

Электрод нитратный ионоселективный типа ЭИМ- I , ЭИМ-II, ЭM-NO ₃ -01 или электрод, имеющий такие же технические и метрологические характеристики.

Электрод сравнения хлорсеребряный насыщенный образцовый 2-го разряда по ГОСТ 17792-72 или электрод, имеющий такие же технические и метрологические характеристики.

Мешалка лабораторная электромеханическая или встряхиватель с возвратно-поступательным движением с частотой колебаний не менее 75 мин -1 .

Термостат с автоматической регулировкой температуры в пределах (105 ± 5) °С.

Весы лабораторные 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 200 г и 4-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 500 г по ГОСТ 24104 -80.

Весы квадрантные с устройством пропорционального дозирования ВКПД-40 г с погрешностью дозирования не более 2 %.

Дозаторы с погрешностью дозирования не более 1 % или цилиндры исполнения 1 или 2 вместимостью 50 см 3 по ГОСТ 1770-74 .

Колбы мерные, исполнения 1 или 2, 2-го класса точности, вместимостью 1000 см 3 по ГОСТ 1770-74 .

Пипетки и бюретки исполнения 1, 2, 3, 4, 5, 2-го класса точности по ГОСТ 20292-74.

Стаканы химические, исполнения 1 или 2, вместимостью 50 см 3 по ГОСТ 25336-82 .

Кассеты десятипозиционные с технологическими емкостями или колбы конические исполнения 1 или 2, вместимостью 250 см 3 , по ГОСТ 25336-82 .

Бумага фильтровальная по ГОСТ 12026-76 .

Квасцы алюмокалиевые, ч.д.а., по ГОСТ 4329-77 .

Калий азотнокислый, х.ч., по ГОСТ 4217-77 .

Калий хлористый, х.ч., по ГОСТ 4234-77 .

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72 .

Калий сернокислый по ГОСТ 4145-74 , ч.д.а., раствор концентрации c ( 1 /₂ K ₂ SО₄) = 1 моль/дм 3 (1 н.).

3.1. Приготовление раствора алюмокалиевых квасцов с массовой долей 1 %.

Готовят из расчета 10 г алюмокалиевых квасцов, взвешенных с погрешностью не более 0,1 г на 1000 см 3 раствора.

3.2. Приготовление растворов сравнения

10,11 г азотнокислого калия, высушенного до постоянной массы при температуре (105 ± 5) °С, взвешивают с погрешностью не более 0,01 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 см 3 и растворяют в экстрагирующем растворе, доводя объем до метки.

Раствор хранят в склянке с притертой пробкой не более 1 г. При появлении мути или осадка раствор заменяют свежеприготовленным.

Готовят 10-кратным разбавлением раствора, приготовленного по п. 3.2.1 экстрагирующим раствором в день проведения анализа.

Готовят 10-кратным разбавлением раствора, приготовленного по п. 3.2.2 экстрагирующим раствором в день проведения анализа.

3.2.4. Приготовление раствора концентрации с ( NO ₃ - ) = 0,0001 моль/дм 3 ( рС _NO ₃ = 4).

Готовят 10-кратным разбавлением раствора, приготовленного по п. 3.2.3 , экстрагирующим раствором.

Раствор готовят в день проведения анализа.

3.3. Приготовление приэлектродного раствора

10,11 г азотнокислого калия и 0,37 г хлористого калия, взвешенных с погрешностью не более 0,01 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 см 3 и растворяют в дистиллированной воде, доводя объем до метки.

3.4. Подготовка электродов к работе

Новый нитратный ионоселективный электрод тщательно промывают дистиллированной водой и ополаскивают приэлектродным раствором. Затем электрод заполняют приэлектродным раствором и выдерживают в течение 24 ч в растворе концентрации с (NO ₃ - ) = 0,1 моль/дм 3 . После этого электрод помещают на 10 мин в дистиллированную воду, промокают фильтровальной бумагой и проверяют его функцию, используя растворы сравнения. В диапазоне от 2 до 4 единиц рС _NO ₃ электрод должен иметь линейную функцию с наклоном (56 ± 3) мВ на единицу рС _NO ₃ . Если характеристика отличается от заданной, электрод непригоден для работы. В перерывах между работой электрод хранят в растворе концентрации с (NO ₃ - ) = 0,1 моль/дм 3 .

Электрод сравнения готовят к работе в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. В перерывах между работой электрод хранят в дистиллированной воде. Первичная и периодическая поверка электрода - по ГОСТ 8.149-75.

4.1. Пробы почвы массой 20,0 г взвешивают с погрешностью не более 0,1 г и помещают в технологические емкости или конические колбы. К пробам приливают по 50 см 3 экстрагирующего раствора. Пробу с раствором перемешивают на электромеханической мешалке или встряхивателе в течение 3 мин. Полученные суспензии используют для определения нитратов.

При использовании весов с устройством пропорционального дозирования экстрагента допускается отбор пробы массой 15,0 - 25,0 г. Допускается пропорциональное изменение массы пробы почвы и объема экстрагирующего раствора при погрешности дозирования не более 2 %.

4.2. Определение нитратов

Перед измерением нитратный ионоселективный электрод тщательно ополаскивают дистиллированной водой и выдерживают его в дистиллированной воде в течение 10 мин.

При непосредственном определении рС _NO ₃ прибор настраивают по растворам сравнения с рС _NO ₃ равными 4 и 2, используя для контроля раствор с рС _NO ₃ равное 3. При этом отклонения значений рС _NO ₃ не должны превышать 0,02 единицы рС _NO ₃ от номинального значения контрольного раствора сравнения.

При измерении в милливольтах электродную пару погружают в растворы сравнения, начиная с меньшей концентрации и определяют ЭДС.

После градуировки прибора электроды тщательно ополаскивают дистиллированной водой, промокают фильтровальной бумагой и приступают к определению нитратов в суспензиях.

Перед измерениями суспензии взбалтывают. Электродную пару погружают в суспензию и считывают показания прибора не ранее, чем через 1 мин после прекращения заметного дрейфа показаний прибора.

Настройку прибора проверяют по растворам сравнения не менее трех раз в течение рабочего дня, используя каждый раз свежие порции растворов сравнения. Температура анализируемых вытяжек и растворов сравнения должна быть одинаковой.

5.1. При непосредственном измерении рС _NO ₃ массовую долю азота нитратов в почве в миллионных долях определяют с помощью таблицы пересчета по величине рС _NO ₃ .

Пересчет рС _NO ₃ в массовую долю азота нитратов в почве, млн -1 (мг на 1 кг почвы)

Денитрификация - это естественный микробный процесс почвы, при котором нитраты (NO -) превращаются в газообразный азот (N), который теряется в атмосфере. Денитрификация происходит, когда почвенные бактерии используют нитраты для дыхания вместо кислорода в воздухе.

Наиболее быстро этот процесс происходит в теплых влажных почвах с обилием нитратов.

Почвенные микробы при определенных условиях способны превращать нитраты в различные газы. Эта потеря нитратов в результате денитрификации имеет негативные экономические последствия для растениеводства, поскольку ценные азотные удобрения теряются в воздухе. Однако во многих водных системах и при очистке сточных вод денитрификация имеет положительное влияние в снижении концентрации нитратов в воде. Денитрификацию можно рассматривать как желательную или вредную в зависимости от целей.

Денитрификация приводит к восстановлению нитрата до различных газов (включая NO, N2O или N2). Одним из таких газов является закись азота (N2O), мощный парниковый газ, который может оставаться в воздухе более 100 лет. Закись азота также связана с разрушением стратосферного озона. Хотя потери в результате этого процесса могут иметь глобальные последствия, общие потери от денитрификации, как правило, составляют менее 1 % от общего количества азотных удобрений, вносимых в сельскохозяйственные почвы. В необычных условиях потери при денитрификации добавленного азотного удобрения могут превышать 50 %.

Почему это происходит❓

Когда поступление кислорода (O2) в почву становится ограниченным, различные бактерии используют кислород, содержащийся в нитрате, для дыхания. Денитрификация чаще всего происходит во влажных или заболоченных почвах, где поступление кислорода для дыхания ограничено. Некоторые грибы могут денитрифицировать, но это не считается значительным.

Когда это происходит❓

Денитрификация происходит быстро, когда поровое пространство, заполненное водой, в почвах превышает 60%. Конечный продукт газа зависит от состояния почвы и микробного сообщества. По мере увеличения дефицита кислорода микробы склонны преобразовывать больше нитратов в газообразный N2. В целях управления питательными веществами, денитрификация приводит к потере ценного азота, но воздействие на атмосферу будет различаться.

Факторы контроля

1️⃣Присутствие нитратов: денитрификация происходит только при наличии нитратов. Один из способов минимизировать денитрификацию - поддерживать минимальную концентрацию нитратов, необходимую для поддержания здорового роста растений. Это может быть достигнуто с помощью таких методов, как дробное внесение удобрений, фертигация или использование удобрений с контролируемым высвобождением. Другой подход заключается в использовании ингибитора нитрификации, добавляемого к азотному удобрению. Ингибиторы нитрификации временно не позволяют бактериям Nitrosomonas превращать аммоний в нитрит. Замедление этого процесса снижает быстрое появление нитратов, которое обычно следует за внесением удобрений на основе аммония или навоза.

2️⃣Температура: большинство микробных процессов в почве сильно зависят от температуры. Исследования показывают, что денитрификация происходит наиболее быстро при температуре от 27 °С до 38 °С, что теплее, чем на большинстве почв, даже летом.

Относительно мягкие зимние температуры и характер осадков в сельскохозяйственных регионах Калифорнии позволяют денитрификации продолжаться круглый год (хотя и медленнее зимой).

3️⃣Влажность почвы: наличие или отсутствие кислорода является одним из важнейших факторов, определяющих степень и продолжительность денитрификации. Денитрификация может происходить в аэробных (достаточное количество кислорода) условиях, но в относительно незначительной степени.

Влажные почвы обычно вызывают денитрификацию. Азотные газы могут начать появляться уже через 15 минут после насыщения при благоприятных условиях. При более высокой влажности почвы N2 имеет тенденцию становиться основным продуктом денитрификации по сравнению с N2O.

При выращивании риса с затоплением наблюдаются низкие концентрации нитратов, которые можно денитрифицировать тщательным обращением с удобрениями. Однако во время сезонного осушения может образовываться нитрат, который может быть денитрифицирован во время последующих затоплений.

4️⃣Наличие растворенного углерода: денитрифицирующие бактерии получают свою энергию из растворимого органического углерода. Поэтому денитрификация усиливается в почвах с готовым запасом органического углерода, такого как навоз, компост, покровные культуры или растительные остатки. Растворимый углерод также влияет на конечный продукт денитрификации. Производство N2 обычно доминирует при наличии достаточного количества растворимого углерода, тогда как производство N2O и NO более вероятно, если растворимый углерод ограничивает рост микробов.

Были предприняты экспериментальные попытки стимулировать денитрификацию в полевых условиях для удаления нитратов из воды путем добавления растворимого углерода (такого как пищевое масло, патока и другие быстро разлагающиеся источники углерода) в качестве источников энергии для микробов. Точно так же пропускание богатой нитратами поверхностной воды через реактор или через сооруженное заболоченное место для стимуляции денитрификации является распространенным методом очистки воды.

Почвы, которые переживают длительный засушливый период с последующими дождями или орошением, обычно имеют выброс (всплеск) растворимого углерода, который может поддерживать резкий скачок денитрификации. Переувлажнение (заболачивание) также стимулирует высвобождение растворимого углерода в почву, что может способствовать быстрой денитрификации.

Где это происходит❓

Потенциал денитрификации наиболее высок в верхнем слое почвы, где микробная активность наиболее высока. Верхний слой почвы содержит самую высокую концентрацию углерода, источника энергии микробов. Вероятность денитрификации нитратов, перемещающихся ниже верхнего слоя почвы, с глубиной снижается, поскольку микробная активность обычно быстро падает под корневой зоной. Одно исследование показало, что 68% потенциала денитрификации приходится на верхние ½ дюйма почвы. Нехватка соответствующих бактерий не ограничивает денитрификацию большинства сельскохозяйственных почв.

Корни растений по-разному влияют на денитрификацию. Корни выделяют значительное количество растворимого углерода и отшелушенных корневых клеток. Кислород в почве расходуется во время корневого дыхания. И наоборот, корни растений высушивают почву, поскольку они потребляют влагу для эвапотранспирации (испарения), и истощают содержание нитратов в почве по мере роста растения.

Процесс денитрификации широко распространен по всему полю. Многие условия, такие как случайное размещение растительных остатков, макропоры и агрегация почвы, а также небольшие изменения в распределении почвенного органического вещества и удобрений, будут влиять на скорость денитрификации в микромасштабе. Это изменение затрудняет точные полевые измерения денитрификации.

🔶Горячие точки денитрификации: Значительная путаница в отношении денитрификации возникает из-за сложности процесса в течение года и изменчивости по полям. Небольшие площади (горячие точки) и кратковременные всплески денитрификации часто приводят к большей части ежегодных выбросов N2O с поля. Например, одно исследование показало, что более 80% денитрификации в образце почвы произошло внутри и вокруг одного разлагающегося листа, который составлял менее 1% от объема почвенного образца. Различия в текстуре почвы и водоудерживающей способности по всему ландшафту также влияют на потери от денитрификации.

На эти локализованные процессы денитрификации будут влиять такие факторы управления, как источник удобрений, норма, сроки и размещение, а также скашивание покровных культур, размещение растительных остатков, схемы уплотнения движения и равномерность орошения.

Точно так же внезапные короткие всплески активности денитрификации обычно измеряются после одиночного ливня после продолжительного засушливого периода. Циклы замораживания и оттаивания также могут оказывать аналогичное стимулирующее действие.

Контроль денитрификации❗

Можно рассмотреть несколько практических методов для снижения потерь нитратов в результате денитрификации. К ним относятся:

Дренаж почвы: проблемы земледелия, связанные с чрезмерно влажными почвами, привели к размещению дренажных труб и канав на многих полях, что снижает вероятность денитрификации. В некоторых районах зимой в поле намеренно задерживают дренажную воду в течение длительного времени, что помогает стимулировать денитрификацию и улучшить удаление нитратов из воды.

Практики управления земледелием и почвами для борьбы с денитрификацией✅

1. Сведите к минимуму внесение удобрений и навоза в количестве, превышающем потребности растений, чтобы избежать избытка нитратов в почве.

2. Запланируйте внесение азотных удобрений на время, когда растения быстро растут и нуждаются в азоте.

3. Используйте поливную воду, чтобы полностью удовлетворить потребности сельскохозяйственных культур. По возможности избегайте чрезмерного полива и переувлажнения. Неравномерный полив может привести к образованию зон насыщения на поле.

4. Используйте соответствующие источники азота, включая удобрения с контролируемым высвобождением, ингибиторы нитрификации или ингибиторы уреазы, если они соответствуют плану управления.

5. Избегайте уплотнения почвы, которое может препятствовать потоку воды и привести к затоплению и заболачиванию; улучшайте дренаж на полях с чрезмерной влажностью.

6. Используйте удобрения на основе мочевины или аммония там, где ожидается денитрификация.

7. Посадите покровные культуры, чтобы снизить концентрацию остаточных нитратов в почве между выращиваемыми культурами.

8. Косите или уничтожайте покровные культуры как можно ближе ко времени посадки следующего урожая, чтобы свести к минимуму накопление нитратов во время разложения.

9. Выберите время для внесения навоза и компоста, чтобы избежать влажных почв. Навоз является источником углерода и азота, которые могут стимулировать денитрификацию.

🔶Ингибиторы: было последовательно доказано, что использование ингибиторов нитрификации снижает денитрификацию и выбросы N2O. Замедляя превращение аммония в нитрат, азотные удобрения меньше подвергаются процессам денитрификации в любой момент времени.

🔶Практика орошения: содержание влаги в почве и продолжительность увлажнения оказывают существенное влияние на денитрификацию. Методы орошения, которые предусматривают меньшее и более частое применение воды, приводят к меньшей денитрификации. Например, было продемонстрировано, что подземное капельное орошение имеет меньше выбросов N2O по сравнению с паводковым (лиманным) и поверхностным капельным орошением. При капельном орошении увлажняется лишь небольшая часть почвы по сравнению с поливом по бороздам, паводковым (лиманным) поливом или дождеванием, что снижает степень переувлажнения почвы. Однако люцерна, орошаемая паводковым (лиманным) затоплением, производит очень мало N2O, за исключением случаев, когда это происходит сразу после каждого полива из-за низких концентраций нитратов в почве.

Влияние методов орошения на денитрификацию не всегда легко предсказать. Например, нитрат обычно перемещается с добавленной водой к краю фронта увлажнения, где вероятность насыщения почвы меньше. Одно исследование показало, что наибольшие потери N2O не совсем соответствуют событиям фертигации. Вместо этого наибольшие потери произошли после измельчения растительных остатков (поступление растворимого углерода) и после первого ливня после сбора урожая (циклы увлажнения и сушки).

Потери при денитрификации продолжаются зимой, хотя и в меньшей степени, чем летом. Зимние выделения N2O составляли около 10% от общих годовых выбросов люцерны, 10-25% томатов и 14-50% салата-латука. Что касается озимой пшеницы, большая часть выбросов N2O происходит в течение зимнего вегетационного периода при внесении азотных удобрений.

🔶Источник азотных удобрений: для денитрификации необходимо присутствие нитратов, поэтому выбор источника азотных удобрений может быть важным. Материалы и методы удобрения, поддерживающие азот в виде мочевины или аммония, снижают краткосрочный риск денитрификации.

Внесение удобрений может иметь важное значение. Когда азотные удобрения вносились в концентрированной полосе, выбросы N2O были на 45% больше, чем при разбрасывании по поверхности почвы и заделывании. Точно так же потери от денитрификации азота, внесенного в результате фертигации, были меньше, чем для эквивалентных внесений азота разбросным севом. Размещение азотных удобрений на глубине не менее 2 дюймов под поверхностью почвы также поможет снизить выбросы N2O.

🔶Покровные культуры и остатки. Влияние озимых покровных культур на денитрификацию неоднозначно. Они могут увеличить выбросы N2O, особенно в сезон дождей. Покровные культуры добавляют значительное количество растворимого углерода и азота при их разложении, что приводит к временному всплеску денитрификации. В других случаях покровные культуры собирают (удаляют) нитраты из почвы, что приводит к меньшей денитрификации. Желательно убивать покровные культуры как можно ближе к времени посадки следующей культуры, чтобы свести к минимуму различные потери азота.

Скашивание и скармливание скоту покровных культур и пастбищ могут косвенно влиять на денитрификацию, быстро меняя потребность растений в азоте и возвращая органические вещества в почву, что приводит к увеличению выбросов N2O.

Другие источники закиси азота❗

Денитрификация обычно является наиболее важным источником N2O из почв, однако существуют и другие пути образования N2O. В процессе нитрификации небольшая группа почвенных бактерий способна превращать нитрит в N2O (так называемая денитрификация нитрификатора). В некоторых почвах их вклад в общие выбросы N2O может быть значительным.

Многие взаимодействующие факторы, включая удобрения, воду и управление почвой, определяют денитрификацию сельскохозяйственных почв. Два фактора, которыми легче всего управлять, - это внесение азотного удобрения и полив. В общем, практика, увеличивающая присутствие избыточного количества нитратов, приведет к увеличению потерь при денитрификации, особенно в теплой и влажной среде. Использование подходящего источника, нормы, сроков и места внесения азотных удобрений снизит выбросы N2O. Улучшенные методы орошения, которые оптимизируют влажность почвы, помогают свести к минимуму денитрификацию. Эффективное использование растением внесенного азота и воды снизит нежелательные потери N2O.

Так можно ли вырастить овощи, свободные от нитратов? (Я буду говорить преимущественно об овощах, так как в фруктах нитратов немного). И что это, собственно, такое – эти злосчастные нитраты? Сразу оговорюсь, что тема эта очень обширна, и я не планирую ее освещать в полном объеме. Более того, мы рассмотрим ее с позиций не покупателей готовой продукции, а земледельцев, садоводов, огородников. Отсюда следует, что основной упор сделаем на то, как вырастить нашу продукцию так, чтобы она несла нам только пользу и здоровье.

Но вначале немного теории. Нитраты – это соли азотной кислоты, и они присутствуют в пахотных почвах практически всегда. Их бывает очень мало под культурами сплошного сева (пшеницей, например), но это не наш случай, не так ли? А вот при выращивании овощных и пропашных культур, которые мы усердно поливаем и рыхлим – нитратов в почве накапливается много, причем свою лепту вносят нитрифицирующие бактерии. И это, в принципе, хорошо – ведь азот является одним из самых необходимых элементов питания, и при малом его количестве в почве высокого урожая нам не получить. А коль нитраты присутствуют в почве, то они поступают и в растения.

В целом же нитраты – естественный компонент живой природы и проблема состоит не в том, что они попадают в живой организм, а в том, чтобы их количество не превышало предела, когда они способны подорвать защитные силы организма человека и животных.

Прежде всего – это биологические особенности культур, и тут уж ничего не поделаешь! В свое время я писала кандидатскую диссертации по столовой свекле, поэтому все особенности этого чемпиона по накоплению нитратов мне знакомы не понаслышке. В Омской области (правда, давно уже) ставился вопрос о целесообразности выращивания этой культуры, так как содержание нитратов регулярно превышало ПДК (об этом – чуть позже). Поэтому фермер свеклу вырастить – вырастит, а продать – не может, нитратов много, сертификат соответствия не выдают (теперь - декларацию).

Следует отметить, что способность накапливать нитраты присуща не только культурным растениям, но и дикорастущим. Богаты нитратами щирица, лебеда, крапива, молочай, черемша, донник и многие другие.

Много нитратов накапливают листовые овощи (салат, шпинат, укроп, кинза, зеленый лук и т.д.). Но не стоит ужасаться – витамин С нейтрализует вредное действие нитратов, да и не едим мы эти культуры килограммами. Несколько меньше, но тоже много нитратов – в репе, редьке, брюкве, редисе, капусте белокочанной, капусте цветной и т.д. А вот в репчатом луке, помидорах – нитратов немного.

Большую роль в накоплении нитратов играет и сорт. Ранние сорта овощных культур, как правило, отличаются повышенным содержанием нитратов (они и все другие элементы питания потребляют более интенсивно), а в поздних их значительно меньше. Лицам, имеющим проблемы с желудочно – кишечным трактом, следует отдать предпочтение более поздним сортам.

Культуры и сорта с непродолжительным вегетационным периодом (редис, салат, шпинат, ранняя капуста, огурцы) накапливают больше нитратов, так как за непродолжительный срок поглощают значительное количество минерального азота. Много нитратов содержится в недозрелых плодах.

По органам растения нитраты распределены неравномерно. Больше нитратов в стеблях, черешках и жилках листьев, а в листовых пластинках их меньше (но ведь мы и предпочитаем, положим, у петрушки листовую пластинку, а не жесткий черешок!). У капусты больше нитратов во внешних листьях и кочерыге, меньше – во внутренних листьях. У картофеля значительная часть нитратов накапливается в кожуре, поэтому только одна очистка значительно уменьшает содержание NО3 в клубнях. Женщины! Если ваш муж небрежно чистит картошку, срезая толстую кожуру – не спешите его корить, это он с нитратами интуитивно борется!

Много нитратов накапливается в кожуре огурцов – в 5 раз больше, чем в мякоти плода. У корнеплодов максимальное количество нитратов накапливается в мелких всасывающих корешках и верхушке корнеплода, в центре же корнеплодов их содержание ниже в 7 – 10 раз. Мне бы хотелось еще раз повторить – все предосторожности в отношении нитратов следует предпринимать людям с заболеваниями желудочно – кишечного тракта и при питании детей до 6 месяцев, у которых еще не сформирована должным образом иммунная система. Для взрослых здоровых людей эта проблема не актуальна.

Ну и, конечно, я бы лукавила, если бы утверждала, что применение азотных удобрений не влияет на содержание нитратов в растениях. Влияет, конечно. Однако накоплению NО3 способствует неумеренное, одностороннее, неграмотное азотное удобрение культур. Но согласитесь, если бы я предложила вам употреблять витамины горстями, вряд ли это было на пользу вашему организму. Так и с азотными удобрениями – ими растения лучше недокормить, чем перекормить.

Очень важное значение для качества овощной продукции имеют сроки азотных подкормок. Проведенные в конце июня – начале июля, они могут быть полезными растениям, испытывающим недостаток азота. Более поздние подкормки, особенно в период массового созревания кочанов и корнеплодов, затягивают вегетацию растений, замедляют биосинтез сахаров и сухого вещества, вызывают избыточное накопление нитратов.

Большую роль в минеральном питании растений имеет сбалансированность элементов питания. Азотные удобрения следует вносить в комплексе с фосфорными и калийными.

Сторонники так называемого альтернативного земледелия утверждают, что нитратная проблема возникла исключительно с внесением минеральных азотсодержащих удобрений. Они ратуют за применение только органических удобрений, которые позволят получать продукцию с невысоким содержанием нитратов. Однако достоверных данных пока получено немного. Этому есть объяснение, так как при внесении органических удобрений питание растений азотом происходит в виде все тех же нитратов. Безусловно, внесение органических удобрений – один из резервов решения нитратной проблемы, т.к. минерализация навоза высвобождает азот постепенно и при внесении умеренных доз органики не создает избыточной его концентрации в почвенном растворе.

Однако при внесении высокой дозы органики, особенно при систематическом применении, количество поступающего в почву азота сопоставимо с поступлением его из умеренной дозы минеральных азотных удобрений.

Важное значение для усвоения минерального азота в растении играют экологические факторы и среди них погодные условия и освещенность. При низкой освещенности нитраты не расходуются на формирование органического вещества и накапливаются в растениях в свободной форме. Повышенное содержание нитратов в тепличной продукции часто объясняют именно недостатком света.

В продукции открытого грунта накопление нитратов возрастает при неблагоприятных погодных условиях: в годы с холодным и пасмурным летом. В условиях жаркого климата Средней Азии, воздействие высоких температур сдерживает вовлечение нитратов в процесс образования сложных органических соединений. Поэтому овощи из Средней Азии часто отличаются повышенным содержанием нитратов.

Влияет на накопление нитратов и густота стояния растений. Как при изреженности посадок, так и при их загущенности – нитраты накапливаются сильнее. Только по разным причинам. В первом случае с повышенной площади питания растения получают больше азота, а во втором – это результат затенения и недостатка света.

На накопление нитратного азота в овощной продукции также оказывают влияние болезни и вредители. Нарушая условия для синтеза органического вещества урожая, они способствуют накоплению нитратов в растениях. Поэтому, применяя меры борьбы с вредителями и болезнями, мы тем самым и снижаем риск повышенного содержания нитратов в растениях. Хранение листовых овощей, загрязненных землей и с поврежденными листьями приводит к более быстрому проникновению бактерий внутрь листьев и образованию в них нитритов. Поэтому при хранении листовых овощей важно не допускать загрязнения и повреждения листьев и поддерживать температуру не выше 50 С.

Подводя итог вышесказанному следует отметить, что в проблеме нитратов нашел отражение один из основных законов материалистической диалектики – перехода количественных изменений в качественные. Определенный уровень содержания нитратов в растениях – это необходимость, и, следовательно, благо; а их избыток – уже вред.

Азот в качестве элемента питания играет первостепенную роль в росте, развитии и плодоношении растений, принимая разные химические формы. С одной стороны, азот — это благо, а с другой — угроза, поскольку опасны многочисленные изменения, которые с ним происходят в окружающей среде при внесении азотных и органических удобрений. Растениям для развития нужно строго определенное количество азота, а его избыток или недостаток вызывают неблагоприятные последствия.

Меняющийся климат, распространение болезней и вредителей, повторяющиеся засухи, высокие затраты в аграрной сфере и неопределенная ситуация на рынках показывают, что небольшая ошибка в обращении с азотом может дорого обойтись земледельцу и окружающей среде. Поэтому проводимую в аграрном секторе деятельность следует ориентировать на моделирование высококачественного производства при сохранении оптимальных затрат и заботе об экологии.

Откуда взялся азот и в чем его польза?

Наиболее важны функции азота в процессах структурообразования у растений — в качестве основного строительного компонента, регулирования усвоения других макро- и микроэлементов, протекания в растении биохимических реакций. В качестве компонента генетической информации азот участвует в репродуктивной функции, а как переносчик энергии молекул обеспечивает энергетическую функцию. В итоге азот оказывает огромное влияние на продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур.

Чтобы быть эффективным для культур, азоту нужно постоянное присутствие других макро- и микроэлементов (калия, фосфора, кальция, магния, серы, железа, бора, меди, марганца, цинка, молибдена, кобальта, кремния и др.), необходимых для правильного функционирования растений. Недостаток каждого из них также вызывает нарушения в развитии растений (табл. 1).

Формы азота в почве подвержены преобразованиям

В наших минеральных почвах общее содержание азота составляет в среднем 0,06-0,3%, а органические почвы могут содержать до 3,5% азота. Из всего общего количества азота только 1-5% приходится на долю минеральных соединений, которые потребляют растения в форме иона аммония NH₄+ и нитрат иона NO₃-. Остальное количество азота в почве (95%) составляют органические соединения Nорг, для разложения и перевода которых в доступную для растений минеральную форму требуется время и условия.

К легкоразлагаемому в почве органическому азоту относятся корневые и надземные послеуборочные остатки, виды органических удобрений, солома и зеленые удобрения.

Формы азота в питании растений

Состояние питания растений определяется формами азота, которые поглощает растение: NH₄+ и нитрат иона NO₃-. В природе также существует несколько десятков видов микроорганизмов, которые способны связывать атмосферный азот N₂. Многие растения из семейства бобовых, благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями, способны фиксировать атмосферный азот.

Почвенный поглощающий комплекс имеет отрицательный заряд, поэтому способен притягивать и удерживать положительно заряженные элементы питания и отталкивать отрицательно заряженные. Если поглощающий комплекс почвы притягивает определенные формы азота, то они не выщелачиваются, что полезно для плодородия. Некоторые формы азота могут отталкиваться частицами почвы, что вызывает большие потери элемента.

Катион аммония NH₄+ имеет положительный электрический заряд, благодаря которому хорошо удерживается почвой. А вот нитратная форма NO₃- является анионом с отрицательным зарядом, поэтому слабо удерживается почвой и легко вымывается (табл. 2).

Что наиболее выгодно с точки зрения питания растений, экологической безопасности и экономики? Это взаимодействие нитратной и аммонийной формы.

Потери азота

Какой коэффициент использования азота растениями из минеральных удобрений? Обычно не более 70%, и это хороший результат. Исследования показывают, что в отдельных случаях азот из минеральных удобрений может использоваться всего на 20%, что свидетельствует о впустую затраченных средствах.

Какие процессы оказывают влияние на размеры потерь азота? Выщелачивание и улетучивание NO₃-, а также вызываемая бактериями Alcaligenes, Pseudomonas, Flavobacterium, Bacillus денитрификация, которая с химической точки зрения выглядит следующим образом:

C₆H₁₂O₆ + 4NO₃- → 6CO₂ + ↑2N₂ + 6H₂O + энергия

Газообразные потери N₂ представляют собой экологическую проблему, поскольку восстановление нитратов до N₂ — это естественный процесс. К сожалению, образующиеся закись NO и окись N₂O азота являются парниковыми веществами, разрушающими озон.

Вымыванию больше подвержена нитратная форма азота NO₃-. Нитрат-ионы мигрируют с дождевой водой, перемещаются в почвенном профиле с капиллярной водой. Это еще один источник потерь. Избыток нитратов на песчаных почвах осенью — это практически 100% вымывание из почвы. В глинистых почвах риск вымывания снижается до 50%.

На вымывание нитратов из почвы влияет погода, затяжная осень, мягкая зима, сильные снегопады, быстрые оттепели ранней весной, проливные дожди.

На потери азота от вымывания влияет стратегия внесения азотного удобрения:

большое количество минерального азота в почве с осени;
высокие дозы минерального азота ранней весной;
трансформация минерального азота в почве;
вид азотного удобрения;
срок внесения и доза удобрения.

Сдерживает потери азота в холодное время растительный покров и правильная агротехника: севооборот, структура почвы, уклон и фактура участка.

уреаза
H₂N - CO – N-H₂ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃

Гидролиз мочевины обычно приводит к газообразным потерям азота в виде аммиака NH₃. Это происходит вскоре после поверхностного внесения мочевины без заделки в почву и при длительном отсутствии осадков. Процесс потерь аммиака ускоряется при высокой температуре, недостаточном уровне рН и на легких почвах. По оценкам разных ученых, потери азота из мочевины в разных условиях (луга, культуры) могут достигать 20-90%. Почему они такие высокие?

После поверхностного внесения мочевины без заделки в почву и при длительном отсутствии осадков происходят газообразные потери азота в виде аммиака!

Чем дольше мочевина лежит на почве или в почве в нерастворенном виде, тем больше потери азота в виде аммиака и не только. Аммиак повреждает растения, снижает всхожесть, а попадая в атмосферу, возвращается в окружающую среду с дождем, способствуя подкислению почвы и эвтрофикации водоемов.

Однако у мочевины много преимуществ. Прежде всего, низкая стоимость, низкая взрывоопасность производства, транспортировки и хранения. Благодаря высокому содержанию азота она удобна для внесения на поля.

Глобальная задача современного сельского хозяйства

Как снизить потери азота из мочевины и максимально использовать азот из минеральных удобрений? Проблема повышения эффективности использования питательных веществ давно беспокоит ученых. За последние годы для решения этой задачи были разработаны и предложены производству разные технологии, призванные решить экономические (повышение рентабельности производства), социальные (более высокое качество сельхозкультур) и экологические (азотный баланс) аспекты.

Важнейшей задачей на данный момент является повышение эффективности всех видов удобрений, в том числе и азотных, значительная часть питательных элементов из которых теряется. Наукой доказано, что в первый год после внесения минеральных удобрений растениями используется: азот — до 70%, калий — на 50-60%, фосфор — на 10-25%.

Уже много лет наука трудится над способами снижения потерь азота, решая экологические и экономические проблемы. Агрохимическая промышленность разрабатывает особые виды удобрений, которые сдерживают потери азота из минеральных удобрений. К этой группе относятся стабилизированные удобрения, содержащие ингибиторы нитрификации или ингибиторы уреазы. Ингибиторы — это вещества, замедляющие процессы превращения азота.

Ингибиторы нитрификации замедляют окисление иона аммония (NH₄+) до иона нитрата (NO₃-) многочисленными почвенными бактериями (включая Nitrosomonas и Nitrobacter). Задерживая превращение аммония в нитрат — уменьшают количество нитратов в почве, процесс их вымывания и денитрификации. Такое замедление на практике длится от 4 до 10 недель и сильно зависит от температуры почвы. Цель использования ингибиторов нитрификации — повышение эффективности использования азота культурами.

Многие природные и искусственно созданные соединения обладают свойствами, замедляющими процесс нитрификации. Однако большая часть таких соединений обладает токсичностью по отношению к почвенным микроорганизмам, животным и человеку.

Поэтому к ингибиторам нитрификации предъявляют высокие требования, которые должны иметь способность:

замедлять или блокировать окисление катиона аммония (NH₄+) без превращения анионов нитрита (NO₂-), что делает невозможным дальнейшее окисление до нитрат-аниона (NO₃-);
блокировать процесс нитрификации на несколько недель после применения;
быть безопасными для фауны, флоры и человека в используемых дозах;
быть рентабельными.

Как добиться максимальной эффективности азота через сбалансированное питание растений

Преимущества использования ингибиторов нитрификации сводятся к более низким выбросам парниковых газов (NO и N₂O), снижению вымывания азота в поверхностные и грунтовые воды, улучшению усвоения растениями фосфора и микроэлементов из почвы.

К недостаткам ингибиторов нитрификации можно отнести то, что полевые испытания в большинстве случаев не показывают значительного воздействия этих вещества на урожай. Ингибиторы нитрификации отрицательно влияют на почвенные микроорганизмы, а имеющиеся на рынке вещества работают недостаточно долго (не стабильны). К тому же замедление нитрификации снижает вымывание азота в грунтовые воды, но не устраняет его полностью.

Что можно сказать об ингибиторах уреазы, которые замедляют гидролиз мочевины ферментом уреазой. Мочевина содержит азот в амидной форме, которую растения не могут напрямую усвоить. После перехода амидной формы в аммонийную (гидролиз мочевины) растения способны поглощать азот из мочевины.

Гидролиз мочевины вызывает большие потери газообразного азота в виде улетучивания аммиака, что происходит при поверхностном внесении удобрения. Летучий аммиак может повредить проростки или рассаду, уменьшая всхожесть и силу роста растениий, приводя к экономическим потерям. В зависимости от температуры воздуха, влажности почвы и инсоляции потери азота могут составлять 80% (особенно при подкормке кукурузы). Ингибитор уреазы позволяет устранить или значительно уменьшить эти потери.

Образующаяся из амидной формы мочевины аммонийная форма азота очень мало перемещается в почве, поэтому азот размещается в верхней части почвенного профиля, что неблагоприятно для большинства культур. Процесс нитрификации в этом случае также более интенсивен. Причина этого — более быстрое повышение температуры на небольшой глубине почвы и большая доступность кислорода. Нитрификация, а значит большое количество нитратного азота в почве — это потеря денег и экологический риск.

Влияние азотного питания на фитосанитарное состояние посевов озимой пшеницы в Северо-Западном регионе РФ

Ингибитор уреазы останавливает гидролиз мочевины. Продолжительность блокирования действия уреазы зависит от дозы используемого ингибитора. Амидная форма мочевины благодаря нейтральному электрическому заряду подвижна в почве, в отличие от аммонийной формы.

Следовательно, гидролиз мочевины на поверхности почвы при подкормке или неглубоко в почве (мелкие обработки почвы) провоцирует ситуацию образования в верхнем слое почвы большого количества аммиачной формы, что делает корневую систему ленивой для поиска питания (неспособна проникать в более глубокие слои). Ингибитор уреазы, замедляющий гидролиз мочевины, заставляет амидную форму азота перемещаться в корневую зону, где происходит переход в аммонийную форму.

Современные ингибиторы уреазы блокируют гидролиз мочевины на поверхности почвы, поэтому потеря аммиака сводится к нулю. Ослабление процесса нитрификации также вызывает снижение потерь азота в результате процессов денитрификации и вымывания.

Читайте также: