И систематика других групп микроорганизмов

Неблагоприятное действие минеральных удобрений было отмечено на легких малоплодородных песчаных и супесчаных подзолистых почвах Соликамской сельскохозяйственной опытной станции. Один из анализов различно удобрявшейся почвы этой станции приведен в таблице 29. В этом опыте в почву ежегодно вносили N90, P90, К120, навоз —2 раза в три года (25 т/га). Из расчета на полную гидролитическую кислотность была дана известь (4,8 т/га).

Применение в течение ряда лет NPK существенно снизило численность микроорганизмов в почве. Не пострадали лишь микроскопические грибы. Внесение извести, и особенно извести с навозом, оказало весьма благотворное влияние на сапрофитную микрофлору. Изменяя реакцию почвы в благоприятную сторону, известь нейтрализовала вредное влияние физиологически кислых минеральных удобрений.

По истечении 14 лет урожаи при внесении минеральных удобрений фактически снизились до нуля в результате сильного подкис-ления почвы. Применение известкования и навоза способствовало нормализации рН почвы и получению достаточно высокого для указанных условий урожая. В общем, микрофлора почвы и растения реагировали на изменение почвенного фона примерно одинаково.

Обобщение большого материала по использованию минеральных удобрений на территории СССР (И. В. Тюрин, А. В. Соколов и др.) позволяет сделать заключение, что их влияние на урожай связано с зональным положением почв. Как уже отмечалось, в почвах северной зоны микробиологические мобилизационные процессы протекают замедленно. Поэтому здесь сильнее ощущается дефицит для растений основных элементов питания, и минеральные удобрения действуют более эффективно, чем в южной зоне. Это, однако, не противоречит приведенному выше положению о лучшем действии минеральных удобрений на высокоокультуренных фонах в отдельных почвенно-климатических зонах.

Кратко остановимся на использовании микроудобрений. Некоторые из них, например молибден, входят в ферментную систему азотфиксирующих микроорганизмов. Для симбиотической азотфи

сации необходим также бор, который обеспечивает формирование нормальной сосудистой системы у растений, а следовательно, и успешное протекание процесса азотоусвоения. Большинство других микроэлементов (Си, Mn, Zn и т. д.) в небольших дозах усиливает интенсивность микробиологических процессов в почве.

Как было показано, весьма благоприятное действие на микрофлору почвы оказывают органические удобрения и особенно навоз. Скорость минерализации навоза в почве определяется рядом факторов, но при других благоприятных условиях она зависит в основном от отношения в навозе углерода к азоту (C:N). Обычно навоз вызывает повышение урожая в течение 2—3 лет в отличие от азотных удобрений, которые не имеют последействия. Полуперепревший навоз с более узким соотношением С: N проявляет удобрительное действие с момента его внесения, так как он не имеет богатого углеродом материала, вызывающего энергичное усвоение азота микроорганизмами. В перепревшем навозе значительная. Часть азота переведена в форму перегноя, который слабо минерализуется. Поэтому навоз-сыпец как азотное удобрение оказывает меньшее, но длительное действие.

Указанные особенности относятся и к компостам, и к другим органическим удобрениям. С учетом их можно создать органические удобрения, действующие в определенные фазы развития растений.

Широко используют также зеленые удобрения, или сидераты. Это органические удобрения, запаханные в почву, они более или менее быстро минерализуются в зависимости от почвенно-климатических условий.

В последнее время большое значение уделяют вопросу об использовании соломы как органического удобрения. Внесение соломы могло бы обогатить почву гумусом. Кроме того, в соломе содержится около 0,5% азота и другие необходимые растениям элементы. При разложении соломы выделяется много углекислоты, что также благотворно действует на посевы. Еще в начале




Рис. 73. Влияние на накопление нитратов (3 — контроль) в почве внесения:

У—люцерны (C:N — 17,5:1); 2—клевера (C:N—16,4:1); 4 — соломы злаков (C.N — 82:1) (по Д. Хатчингсу).

XIX в. английский химик Ж- Деви указывал на возможность




применения соломы в качестве органического удоб­рения.




Однако до последнего времени запахивать солому не рекомендовали. Это обосновывали тем, что солома имеет широкое отношение C:N (около 80:1) и ее заделка в почву вызывает биологическое закрепление минерального азота. Растительные материалы с более узким соотношением C:N такого явления не вызывают (рис. 73). Растения, посеянные после запашки соломы, испытывают недостаток азота. Исключение составляют лишь бобовые


культуры, которые обеспечивают себя азотом с помощью клубеньковых бактерий, фиксирующих молекулярный азот.

Недостаток азота после заделки соломы можно компенсировать внесением азотных удобрений из расчета б—7 кг азота на 1 т запаханной соломы. При этом положение не вполне исправляется, так как солома содержит некоторые вещества, токсичные для растений. Требуется некоторый период времени для их детоксикации, которую проводят микроорганизмы, разлагающие эти соединения.

Проведенная за последние годы экспериментальная работа позволяет дать рекомендации по устранению неблагоприятного влияния соломы на сельскохозяйственные культуры.

В условиях северной зоны солому в виде резки целесообразно запахивать в верхний слой почвы. Здесь в аэробных условиях все токсичные для растений вещества довольно быстро разлагаются. При мелкой запашке, через 1—1,5 месяца происходит разрушение вредных соединений и начинает освобождаться биологически закрепленный азот. На юге, особенно в субтропической и тропической зонах, разрыв времени между заделкой соломы и посевом может быть самым минимальным даже при глубокой ее запашке. Здесь все неблагоприятные моменты исчезают весьма быстро.

При соблюдении этих рекомендаций почва не только обогащает­ся органическим веществом, но и в ней активизируются мобилизационные процессы, в том числе деятельность азотфиксирующих микроорганизмов. В зависимости от ряда условий внесение 1 т соломы приводит к фиксации 5—12 кг молекулярного азота.

Сейчас на основании многочисленных полевых опытов, проведенных в нашей стране, вполне подтвердилась целесообразность использования избытков соломы как органического удобрения.

Глава 18

РЕГУЛИРОВАНИЕ

^ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ПОЧВЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ

ТРАНСФОРМАЦИЯ АЗОТА В ПОЧВЕ

Азотные соединения способны к различным микробиологическим превращениям и поэтому нередко теряются для растений.

Общий запас азота в почве довольно велик. В пахотном слое
дерново-подзолистых почв он достигает 4 т, в черноземах —
6—15 т/га. Основная часть азотного фонда находится в составе
гумуса. Небольшое количество азота входит в другие органиче­
ские соединения почвенного слоя (аминокислоты, аминосахара,
нуклеиновые кислоты и т. д.), а также в минеральные соедине-
ния — преимущественно аммония и азотной кислоты. До 50—60 кг азота на 1 га заключено в плазме микроорганизмов, населяющих пахотный слой почвы.

Указанных запасов могло бы хватить на многие десятки лет для получения очень высоких урожаев. Однако вследствие того, что основная часть азота почвы входит в состав гумусовых соединений, трудно разлагаемых микроорганизмами, сельскохозяйственные культуры обычно испытывают недостаток в этом элементе. Кроме того, допускать уменьшение содержания гумуса в почве нецелесообразно, так как это снижает плодородие почвы.

Потребности сельскохозяйственных культур в азоте приходится удовлетворять минеральными и органическими удобрениями. Минеральные соединения вносят в основном в форме аммонийных и , нитратных соединений, а также мочевины.

Некоторое количество аммонийных удобрений, а также аммония, накапливающегося при минерализации органических соединений, закрепляется почвенными минералами (иллитом, монтмориллонитом, вермикулитом и др.). Ион аммония входит в кристаллическую решетку глинистых минералов. Частично аммонийные соединения закрепляются необратимо. Обычно в почвах необменно фиксированного аммонийного азота бывает в 2—4 раза больше, чем обменных и водорастворимых его форм.

Растения и гетеротрофные микроорганизмы могут использовать до половины поглощенного NH*.

Аммонийный азот, как образующийся в процессе аммонификации, так и внесенный с удобрениями, не является в почве стабильным соединением. Под влиянием нитрифицирующих бактерий он окисляется до азотной кислоты. Часть аммиака (4—18%) при нитрификации превращается в закись азота (N2O). В газообраз­ном состоянии аммиак может теряться в значительных количествах лишь в щелочных почвах.

Процесс нитрификации особенно наглядно проявляется ,эпарующей почве, где летом накапливаются нитраты. Под посевами сельскохозяйственных культур соли азотной кислоты практически отсутствуют, или их количество бывает минимальным, так как они потребляются растениями и микроорганизмами ризосферы. Ранней весной и осенью нитратов мало даже в парующих почвах. Это свя­зано с тем, что в холодную погоду соли азотной кислоты довольно энергично потребляются психрофильными микроорганизмами, а жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий при температуре ниже 8—10°С проявляется очень слабо. Следовательно, весной в почве содержится мало минерального азота, и целесообразно использовать азотные подкормки.

Д. Н. Прянишников показал, что нитраты и аммиак — равноценные источники азотного питания растений. Однако превращение солей аммония в азотную кислоту приводит к ряду нежелательных последствий. Так, нитраты не поглощаются почвенными коллоидами и могут вымываться из почвы. Этот процесс особенно сильно проявляется в зонах, где выпадает много осадков, и в орошаемых


почвах. Нитраты и нитриты могут также восстанавливаться бактериями и в виде газообразных продуктов теряться из почвы.

В почве возможна и «косвенная» денитрификация, когда потери азота происходят в результате некоторых химических реакций. Так, в кислой среде HNO2, реагируя с аминокислотами или аммонием, образует молекулярный азот. Эти процессы могут быть представлены следующими схемами:

RCHNH2COOH + HNO2-* RCH2COOH + Н2О + N21 NH4 + NO2 2H2O + N2 t

В кислой среде идет также саморазложение нитритов с образованием газообразных продуктов:

2HNO2-*NOf +NOst +H2O 3HNO2 -* 2NO f + HNO3 + Н2О

Возможно восстановление нитритов в почве при взаимодействии с органическими веществами, содержащими фенольные группы (в присутствии Fe+ или Мп2+), с образованием N0 и N20.

При разнообразных микробиологических процессах в почве образуются оксимы (соединения с группой =N—ОН). Они реагируют с нитритами, причем образуется N20:

R2C - N — ОН + HNO2 ^ RjC = О + NjO + Н20

Таким образом, при восстановительных процессах, а также при некоторых химических реакциях из нитратов и нитритов могут образоваться N2, N20, NO и N02. Некоторые из этих соединений, например N02, весьма реактивны. Поэтому газообразные потери азота из почвы происходят преимущественно в форме N2 и N20. В почвенном воздухе всегда присутствует N20.

Из-за отмеченных потерь, а также частичного биологического закрепления азотные удобрения используются сельскохозяйственными растениями не более чем на 40—50%.

Как показали опыты Е. В. Руделева, Д. А. Филимонова, на плодородных почвах растения потребляют больше азота минеральных удобрений, чем на бедных. Биологически закрепляется азота также больше в высокоплодородных почвах, а газообразные потери здесь резко сокращаются. Об этом свидетельствуют следующие данные, %:

Азот, закрепленный в микробных клетках, после их отмирания минерализуется и используется растениями. В общем, убыль азота из почвы может быть весьма значительной. Так, в Англии на Ро-тамстедской опытной станции при ежегодном унавоживании (около 36 т/га) 1 га пахотной почвы в результате вымывания и дени-


трификации терял в условиях влажного климата в среднем около 60% внесенного с навозом азота.

Денитрификация, вызываемая микроорганизмами обусловливает большие потери азота, чем вымывание его соединений из почвы. Потери от этого процесса возрастают по мере увеличения в почве количества нитратов. Повышенная влажность почвы усиливает восстановительные процессы и потери азота из почвы. О том, что денитрификация связана с наличием в почве солей азотной кислоты четкое представление дает один из опытов П. М. Смирнова, в котором в пойменную почву вносили аммонийную (NH4)2SO4 и нитратную Ca(NO3b соли. Одну партию почвы сохраняли в аэробных условиях, периодически аэрируя ее и поддерживая нормальный уровень О2 (19—22%). Другая партия почвы находилась в анаэробных условиях, что достигалось заполнением ее газовой фазы гелием. В аэрируемую почву вносили 27 мг азотных солей на 1 кг почвы, в анаэробно хранящуюся — 40 мг.

Анализ, проведенный через 2 месяца, показал, что потери азота (%) из почв, удобренных нитратами, были значительно больше:

На состав выделяющихся газов влияет форма азотного удобрения. Так, при внесении в почву (NH^SCU и нитрификации этой соли выделяется больше N2O и меньше N2, чем при восстановлении Ca(NO3)2. В анаэробных условиях часть NO2 редуцируется до N2.

Для борьбы с потерями азота из удобрений может быть применен ряд приемов. Так, установлено, что потери существенно уменьшаются при использовании гранулированных и медленно растворяющихся удобрений. К ним относятся уреаформ (конденсат мочевины с формальдегидом), гранулированная мочевина с оболочкой из элементарной серы, уреазет (конденсат мочевины с ацетальдегидом), изобутилендиуреа и т. д.

Гранулированные удобрения имеют меньший контакт с почвенной микрофлорой, деятельность которой подавляется дополнительно вносимыми с ними веществами (формальдегид, сера и т. д.). Но эти удобрения используются ограниченно из-за их высокой цены и замедленного действия на растения.

Хороших результатов можно достигнуть приближенным к посеву или дробным внесением удобрений и т. д.

Большое внимание сейчас уделяют применению веществ, задерживающих процесс нитрификации. Их использование особенно целесообразно при внесении в почву больших доз удобрений (аммонийных и мочевины). К подобным соединениям относятся ряд цианидов, нитро и галла-анилиды, производные фенолов, хинолинов, хлорпиридины, пиримидины и другие вещества. Применение небольших доз этих соединений селективно подавляет нитрификацию, а другие микробиологические процессы в почве не угнетает.

Ингибирующим действием на нитрификацию обладают препараты N-serve и AM. Всесторонняя проверка этих препаратов показала отсутствие у них фитонцидного и токсикологического эффекта. Активная часть соединения N-serve представляет собой 2-хлор-б трихлорметил пиридин, AM — 2-амино-4-хлор-6-метил-пиримидин.

Под общим названием N-serve в США выпускается несколько марок препаратов, предназначенных для применения с разными азотными удобрениями. Они близки по составу, их можно вносить в почву в смеси с твердыми удобрениями. Некоторые из ингибиторов применяют в виде растворов или эмульсий. В урожае зерна эти препараты не обнаруживаются, а в тканях растений отмечено небольшое количество б-хлор-пиколиновой кислоты, которая постепенно гидролизуется.

Большинство сапрофитных микроорганизмов не угнетаются применяемыми дозами этих препаратов: N-serve — до 2,24 кг/га, AM — 0,3—0,7% от азота, внесенного с удобрениями. Концентрация N-serve выше 0,15 кг/га тормозит первую фазу нитрификации, для второй фазы нужна дозировка в 5 раз более высокая. Нитрификаторы более чувствительны к отмеченным препаратам, чем сапрофитные микроорганизмы.

При использовании нормальных дозировок депрессия микробиологических процессов может быть лишь в отдельных зонах, куда попадают значительные количества препарата из-за их неравномерного распределения в почве.

Продолжительность действия препаратов зависит от почвенно-климатических условий и влажности почвы. В большинстве случаев их действие продолжается 6—8 недель, а при осеннем внесении значительно дольше. Опытные данные показывают, что азотные удобрения можно вносить совместно с ингибиторами нитри­фикации осенью, не опасаясь значительных потерь азота.

В 1975—1978 гг. в различных опытных учреждениях нашей страны было проведено широкое испытание препарата N-serve под руководством кафедры агрохимии ТСХА. Итоги этой работы дали положительные результаты. Урожаи разных сельскохозяйственных культур возрастали в большинстве случаев на 10—25%.

В США от применения ингибиторов нитрификации урожаи озимой пшеницы увеличивались на 16—20%, кукурузы — на 7,2—33, хлопчатника — на 10—12%. В Индии на 6—14% возрастал урожай риса.

Азотные соединения обычно в форме нитратов частично вымываются в грунтовые воды, которые используются для водоснабжения. В СССР установлена предельно допустимая концентрация нитратов (ПДК) в питьевой воде, равная 10 мг/л. В странах Западной Европы и США эта норма значительно выше (45—50 мг/л).

Следует отметить опасность накопления нитратов в пище и кормах. В зерне нитраты, как правило, не аккумулируются, за исключением зерна ячменя, в котором, по некоторым данным, они накапливаются. В овощах и фруктах, как и в зеленых кормах, концентрация нитратов иногда бывает весьма высокой. Пища и корма с высоким содержанием нитратов могут вызвать отравления. Для пищевой продукции Министерством здравоохранения СССР утверждены временные нормы содержания в ней нитратов. С учетом указанного требует решения вопрос о нормировании доз азотных удобрений для разной продукции сельского хозяйства.

^ ТРАНСФОРМАЦИЯ В ПОЧВЕ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА И КАЛИЯ

Значительно меньшая подвижность по сравнению с азотом свойственна соединениям фосфора. Запас фосфора в почве зависит от материнской горной породы, на которой почва образовалась. Обычно в материнских породах фосфор содержится в форме фторапатита Ca5F(PO4)3 и гидроапатита Са5ОН(РО4)3. При разрушении указанных минералов образуются соединения ортофосфорной кислоты.

В кислых почвах накапливаются фосфаты полуторных окислов (AIPO4, FePO4), а также основные соли железа и алюминия (Fe2(OH)3PO4, А12(ОН)3РО4), которые плохо доступны растениям. В почвах, насыщенных основаниями, образуются фосфаты кальция СаНРО4, Са3(РО4)2, постепенно растворяющиеся слабыми кислотами, что способствует более легкому усвоению фосфора растениями.

При известковании кислых почв часть фосфатов полуторных окислов превращается в фосфаты кальция и магния, более доступные для растений.

Трансформация минеральных соединений горной породы микроорганизмами и растениями привела к превращению значительной их части в органические вещества. В подзолах, дерново-подзолистых, серых лесных почвах и черноземах 30—45% фосфора содержится в форме органических соединений. В каштановых поч­вах органических фосфатов меньше (около 25%), а в сероземных— лишь около 14%. Основная масса органических соединений фосфора входит в состав гумуса. Большая часть органического фосфора (до 60%) представлена фосфатами инозита. На долю нуклеиновых кислот приходится до 10% органических соединений фосфора, на глицерофосфаты и другие простые эфиры — 5—10; на фосфолипиды — 0,45—2,6%.

Из отмеченных соединений наиболее стабильны инозитфосфаты. Легче разлагаются микроорганизмами нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, фосфаты, глицеро- и сахарофосфаты, а также полифосфаты.

Содержание фосфора (РзОз) в почвах колеблется от 0,03 до 0,2%, а общий запас фосфора в пахотном слое составляет от 1 до 9 т/га.

По примерным подсчетам, около 15 кг фосфора на 1 га может содержаться в клетках микроорганизмов.

Основная часть минеральных и органических соединений фосфора в почве недоступна высшим растениям, поэтому для получения высоких урожаев вносят минеральные удобрения.

Микробиологические процессы, происходящие в почве, способствуют переводу в доступное для растений состояние минеральных и органических соединений фосфора. Их разрушение — не специфический процесс и вызывается разными микроорганизмами.

На рисунке 74 показано растворение фосфата кальция микроорганизмами, развивающимися в ризосфере пшеницы. Некоторые минеральные соединения фосфора переводятся в раствор кислыми продуктами метаболизма бактерий или водородными ионами кислых почв (например, подзолов). Даже углекислота, выделяемая микроорганизмами при разложении органических соединений, пе-



Рис. 74. Растворение Саз(РО«)2 микроорганизмами в ризосфере пшеницы:

а — в стерильных условиях около корней в агаризованной питательной среде зоны растворения отсутствуют; б — при заражении семян почвенной микрофлорой Са3(РО3 около корней растворяется.

реводит в раствор двух- и трехкальциевые фосфаты, которые превращаются в водорастворимый монокальциевый фосфат:

Са3 (РОл)2 + 2Н2СО3 — 2СаНРО4 + Са (НСО3)2

Поглощенная фосфорная кислота может быть вытеснена и другими анионами. Поэтому когда на парующих почвах при нитрификации повышается содержание азотной кислоты, то несколько увеличивается количество подвижных фосфатов.

Микробиологическая деструкция минеральных соединений фосфора происходит неодинаково легко. По возрастающей трудности разложения может быть намечен следующий ряд:

Са3(РО4)2 > фосфорит > апатит > А1РО4 > FePO4

Растворяющее действие микроорганизмов на фосфаты не всегда связано с подкислением среды. Г. С. Муромцев и В. Ф. Павлова установили, что даже фосфаты алюминия и железа могут растворяться различными бактериями, грибами и актиномицетами, которые дают метаболиты, связывающие катионы фосфатов в не-диссоциирующие хелатные комплексы.

В анаэробных условиях в затопляемых рисовых полях снижается окислительно-восстановительный потенциал, поэтому окисное железо восстанавливается в закисное. При этом происходит освобождение фосфора:

3FePO4 ч. Fe (РО4)2+ РО4~


Для ускорения минерализации органических соединений фосфора был предложен препарат фосфоробактерин, эффективность которого будет рассмотрена в главе 21.

Калий в почве находится в виде минеральных соединений, причем основной запас его — в алюмосиликатных минералах. Из первичных минералов, содержащих калий, широко распространены калийные полевые шпаты (ортоклазы) и в меньшей степени калий-, ные слюды (мусковит, биотит). Вторичные, или глинистые, мине-\ ралы, образующиеся в процессе выветривания и почвообразования, ! относятся к гидроалюмосиликатам. В некотором количестве, наря-,!ду с другими элементами, в них содержится калий. \ Общий запас калия довольно велик. В 1 га пахотного слоя пес­чаной дерново-подзолистой почвы содержится 15—20 т КгО, в дер­ново-суглинистой подзолистой почве — 45—75, в черноземе — 60—75 и в сероземе — 75—90 т.

Калий, адсорбционно связанный на поверхности коллоидов (обменный), служит главным источником питания растений. Он составляет не более 0,5—1,5% общего содержания этого элемента в почве. Иногда доступного для растений калия не хватает.

Микроорганизмы играют существенную роль в повышении со­держания в почве легкорастворимых соединений калия. Способ­ность микроорганизмов разлагать алюмосиликаты была установле­на в начале текущего века чешским ученым Ж. Стоклазой и поль­ским микробиологом К. Басаликом. Позднее это явление было подтверждено другими исследователями.

Разлагать силикаты способны разные микроорганизмы. Мно­гие из них продуцируют кислоты, обладающие большой деструк­тивной активностью. Особенно большую растворяющую способ­ность имеют кислоты, дающие комплексные и внутрикомплексные соединения с элементами, входящими в состав алюмосиликатов. Из этой группы отметим продуценты _полигидрокси-ди- и трикар-боновых кислот.

Большую роль в разрушении силикатов играют слизи, образуе­мые микроорганизмами. Чаще всего это полисахариды, содержа­щие _уроновые кислоты. Они имеют карбоксильные и фенольные группы, которые реагируют с определенными элементами сили­катов, образуют комплексные связи, что приводит к освобождению соответствующего вещества (в данном случае калия) из кристал­лических решеток и переводу его в раствор.

В выветривании силикатов, по данным Р. С. Кутузовой, имеет значение биогенное содообразование. Показано, что нефелин и плагиоклаз сильно разрушаются под влиянием кислот, а кварц — щелочей.

Следовательно, распад минералов может идти под влиянием разных факторов.

Для усиления распада алюмосиликатов в почве был предложен препарат «силикатных» бактерий (см. главу 21).

^ БАЛАНС ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ

Рассмотрим баланс азота в земледелии нашей страны. Минераль­ные азотные удобрения позволяют быстро повышать урожаи, дей­ствуя практически в год внесения в почву.

Химическая промышленность поставляет сельскому хозяй­ству ежегодно примерно 10,9 млн. т азотных удобрений (в расчете на чистый азот), из них в почву вносят 9,6 млн. т. Дозы внесения их под разные культуры различны. Так, под хлопчатник дают да 200—250 кг азота на 1 га, что вполне достаточно. Необходимое количество азотных удобрений получают и другие технические культуры. Под зерновые культуры в среднем вносят около 30 кг/га.

Азотный фонд почвы пополняется не только минеральными, на и органическими удобрениями. Сейчас ежегодно используют около 1 млрд. т органических удобрений, содержащих 4,6 млн. т азота. В среднем на 1 га пашни приходится 14 кг азота в форме органи­ческих удобрений. Как было отмечено выше, действие навоза рас­тягивается обычно на три года. В первый год минерализуется не более 25% органических азотсодержащих соединений. Примерна аналогичным образом используются корневые и пожнивные остат­ки бобовых культур. По расчетам, на площадь всей пашни их по­ступает около 1,2 млн. т. Из этого фонда 1 га зерновых получает 6 кг азота. Свободноживущие азотфиксаторы связывают на 1 га пашни около 20 кг азота, что на всю пахотную площадь состав­ляет 4,25 млн. т. Допускаем, что биологически закрепленный азот в первый год используется на 15%. В небольших количествах в почву поступает азот с высеваемыми семенами и осадками.

Изложенные соображения позволяют сделать примерный рас­чет использования посевом зерновых культур азота из всех поступ­лений (табл. 30).







Таким образом, из внесенных на 1 га под зерновые куль­туры 80 кг азота растения усваивают около 30 кг. Примерно такое же количество азота остается в почве — это азот органических удобрений и корневых остатков, а также азот, ассимилированный микроорганизмами. Остальные 20 кг теряются в процессе денитри-фикации (около 15 кг) и вымываются из почвы (около 5%).

Для среднего урожая зерновых культур требуется около 70 кг доступного азота. Его поступления, как отмечалось, дают лишь 30 кг, остальные 40 кг берутся из почвы, в основном из минераль­ных форм азота, образующихся при распаде гумуса. Обычно в год теряется от 0,5 до 1 т гумуса. Большое число опытов свиде­тельствует, что наши пахотные почвы потеряли существенное ко­личество гумуса — иногда до 30% и более. Это снизило потен­циальное плодородие окультуренных почв. Часть минерализован­ного из гумуса азота вымывается из почвы и теряется в виде газо­образных веществ в результате химических и микробиологических процессов. Эти потери предположительно достигают 15 кг/га.

Следовательно, из поступающих в почву его источников и в результате распада гумуса потери азота достигают 35 кг/га.

Приведенные средние данные не могут быть отнесены ко всем хозяйствам. Существует немало совхозов и колхозов, получаю­щих высокие урожаи зерновых культур (до 50—70 ц/га). В этих хозяйствах используют повышенные дозы минеральных и органи­ческих удобрений, а также большое внимание уделяют культурам бобовых растений, которые не только обогащают почву азотом, но и дают корм, богатый белком.

Целесообразно составить примерный баланс азота на террито­рии всей пашни Советского Союза. Для этого приведен расчет, сде­ланный в таблице 31.

Из данных таблицы следует, что из 22 млн. т азота, поступаю­щих в пахотные почвы, около 8 млн. т усваиваются посевами сель­скохозяйственных растений. Исходя из принятого нами принципа расчетов (см. табл. 30) можно полагать, что около 8 млн. т азота остается в почве (органическое вещество, внесенное в почву, и



31.

Примерный культурами

расчет ежегодного использования азота из пахотных почв СССР, млн. т

сельскохозяйственными




Источник азота

Внесено азота, млн. т




Усвоено растениями







%

млн. т

Минеральные удобрения

Органические >

Биологический азот бобовых растений

Биологический азот свободноживущих

микроорганизмов

Азот семян

Азот осадков

Всего


9,6

45

4,32

4,6

25

1,15

1,2

25

0,3

4,25

15

0,64

1,27

80

1,02

1,08

40

0,44


Г.87
22,00

продукты микробного синтеза), а до б млн. т теряется в резуль­тате денитрификации (около 4,5 млн. т) и вымывания (около ,1,5 млн. т).

С урожаем сельскохозяйственных растений выносится около 15 млн. т азота. Следовательно, если из имеющихся его поступле­ний берется около 8 млн. т, то из почвы заимствуется до 7 млн. т азота.

Источником почвенного азота, как уже отмечалось, является гумус, минерализуемый микроорганизмами. Кроме азота, потреб­ленного растениями, некоторое количество этого элемента (пред­положительно 2 млн. т) теряется в газообразной форме и вымы­вается из почвы. Вообще потери азота достигают 8 млн. т (6 млн. т из его поступлений в почву и 2 млн. т при минерализации гумуса).

Основными направлениями экономического и социального раз­вития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года ста­вится задача повысить валовой сбор зерна до 250—255 млн. т и значительно увеличить производство кормового белка за счет рас­ширения посевов и повышения урожайности бобовых культур. На­мечается значительно увеличить поставки минеральных и органи­ческих удобрений. Расчет показывает, что намеченные рубежи по­вышения урожайности будут достигнуты.

Приведем некоторые данные, относящиеся к балансу фосфора. С минеральными удобрениями в пахотные почвы поступает около 7,6 млн. т РгО5, а органическими — около 2 млн. т. С урожаем сельскохозяйственных культур выносится лишь около 4 млн. т. Однако доступность большинства соединений фосфора для расте­ний ограничена. Даже хорошо растворимый в воде суперфосфат при его применении вразброс усваивается на 15%, а при рядковом внесении в 1,5—2 раза больше. Фосфорные соединения к тому же неравномерно распределяются по территории пашни. Поэтому лишь около 22% пашни содержат повышенное количество РгО5, 36% среднеобеспечены фосфором, остальную площадь можно счи­тать нуждающейся в фосфоре.

В отношении калия нужно иметь в виду, что некоторый дефи­цит этого элемента имеет лишь 10% пахотных земель. Около 22% среднеобеспечено калием и 68% содержит вполне достаточное его количество. С урожаем выносится около 10,5 млн. т КгО. С мине­ральными удобрениями его ежегодно вносят до 6,8 млн. т, с орга­ническими— 3,6 млн. т.

Таким образом, вклад калия, поступающего с удобрениями в пахотные почвы, весьма существен.

В заключение следует отметить, что на величину урожая влияет не только запас элементов питания, но и сорт растения, и уход за посевом.

Показателен следующий пример. На Ротамстедской опыт­ной станции (Англия) с бессменной культурой яровой пшеницы (1852—1967 гг.) на неудобряемой делянке средний за 100 лет урожай составляет около 12 ц/га, а на удобряемой навозом и ми неральными удобрениями — 30 ц/га. В 1968 г. сорт пшеницы был заменен на более продуктивный и усилена борьба с вредителями. Урожай на неудобряемой делянке поднялся до 16—18 ц/га, а на удобряемой достиг более 60 ц/га.

Глава 19

^ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ УРОЖАЯ

ВЛИЯНИЕ НА МИКРООРГАНИЗМЫ ПЕСТИЦИДОВ И ИХ ТРАНСФОРМАЦИЯ В ПОЧВЕ

Химические средства защиты урожая — пестициды в настоящее время используются очень широко. В них входят гербициды, при­меняемые для борьбы с сорняками, фунгициды, защищающие ра­стения от фитопатогенных грибов, инсектициды — средства защи­ты от вредных насекомых, нематоциды — препараты против нема­тод и др.

Широкое применение химических средств защиты урожая началось после 1939 г., когда швейцарский ученый П. Мюллер по­казал перспективность использования ДДТ (1,1-ди(4-хлорфенил)-2,2,2-трихлорэтан) при борьбе с вредными насекомыми. За свою-работу Мюллер был удостоен Нобелевской премии. Открывались новые перспективы в борьбе с вредителями сельского хозяйства и с насекомыми — переносчиками болезней. Применение ДДТ в юж­ных странах практически ликвидировало заболевание малярией, от которой гибли миллионы людей. Через некоторое время оказа­лось, однако, что комары, переносящие заболевание, адаптирова­лись к пестициду, и болезнь вновь стала принимать массовый характер. Тогда перешли на использование менее токсичного ана­лога ДДТ—метоксихлора (С^Н^СЬОг).

В дальнейшем выяснилось, что ДДТ очень медленно разлагает­ся в почве . Аккумулируясь в почве и растениях, он оказывает вредное влияние на организм человека и животных. В настоящее время во многих странах, в том числе в СССР, использование ДДТ и некоторых других пестицидов запрещено. Помимо высокой стой­кости, для ДДТ и ряда других пестицидов характерна способность концентрироваться в биологических цепях. В продуктах животного происхождения они накапливаются больше, чем в растительных тканях. Получены убедительные доказательства отрицательного воздействия даже малых количеств хлорорганических соединений на здоровье людей, и многие страны отказались от применения таких препаратов. В СССР в соответствии с утвержденными ме­тодическими указаниями проводится гигиеническая оценка новых лестицидов. Ежегодно публикуется также Список химических и биологических средств борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками и регуляторами роста растений, разрешенных для применения в сельском хозяйстве.

Неумеренное применение пестицидов загрязняет окружающую среду и приводит к гибели многих ценных представителей фауны и флоры. Вымываясь в водные бассейны, пестициды вызывают вы­мирание промысловых животных.

Все указанное заставляет относиться к применению пестици­дов крайне осторожно и отбирать для практического использова­ния в сельском хозяйстве менее вредные и быстро разлагающиеся соединения.

Химическая природа пестицидов весьма разнообразна — они относятся более чем к 20 различным группам соединений. Наибо­лее широко используют фенокси-производные, производные кар­баминовой и тиокарбаминовой кислот, триазина, мочевины, ура-дила, аминов и т. д.

В качестве инсектицидов в больших количествах применяют фосфорорганические соединения, в меньших количествах — хлорор-ганические соединения и производные карбаминовой кислоты. На­ходят применение также различные вещества, содержащие мышьяк и растительные яды.

В качестве фунгицидов используют соединения меди, ртути и т. д.

Рассматривая трансформацию пестицидов в почве, следует от­метить, что на нее влияют химические и физические факторы, сорбция почвенными частицами и т. д. Однако главный фактор, вызывающий изменение пестицидов в почве,— микроорганизмы. Их жизнедеятельность заметно не угнетается дозами пестицидов, обычно используемыми в практике.

К химическим процессам, вызывающим превращения пестици­дов, относится реакция гидролиза, которая часто катализируется глинистыми минералами.

Быстрота разрушения пестицидов микроорганизмами в значи­тельной степени зависит от их химического состава. Наличие в структуре пестицида галогенов, нитрогруппы и метильной группы замедляет процесс микробной деструкции. Имеет значение поло­жение галогена в феноксисоединениях.

Галоген, находящийся в мета-положении, замедляет распад пес­тицида; соединения, имеющие галоген в пара- и орто-положении, легче разрушаются.

Наиболее легко разлагаются органические соединения фосфо­ра, производные алифатических карбоновых кислот, производные карбаминовой и тиокарбаминовой кислот. Значительно медленнее подвергаются разрушению циклические соединения. Пример раз рыва бензольного кольца рассмотрен на процессе деградации ши­роко используемого гербицида 2,4-Д: