Тема: Модуль 3. Минеральные и органические удобрения

В первом блоке шесть вопросов: 1. Классификация минеральных удобрений; 2. Азотные удобрения; 3. Фосфорные удобрения; 4. Калийные удобрения; 5. Микроудобрения; 6. Комплексные удобрения.

Во втором блоке четыре вопроса: 1. Навоз и навозная жижа; 2. Торф, компосты и птичий помет; 3. Фекалий, городской мусор, хозяйственные отходы и сапропель; 4. Зеленые удобрения.

На сегодня первые два вопроса первого блока:

1. Классификация минеральных удобрений

2. Азотные удобрения

Я на них останавливаться не буду, оставляю для самостоятельного изучения студентов.

Минеральные удобрения в зависимости от содержания питательных элементов делятся на две группы: простые или односторонние, комплексные или многосторонние.

К простым (односторонним) удобрениям относятся азотные, фосфорные, калийные и микроудобрения, содержащие один питательный макро- или микроэлемент.

К комплексным (многосторонним) удобрениям относятся те удобрения, которые в своем составе содержат два и более питательных макро- или микроэлемент.

Можно утверждать, что без азота нет белка, хлорофилла и нуклеиновых кислот, а следовательно, нет и живой природы, в том числе и растений.

Основным источником азота для растений являются соли азотной кислоты и соли аммония. В естественных условиях питание растений азотом происходит путем потребления ими аниона NО₃^- и катиона NН₄⁺, находящийся в почвенном растворе и в обменно-поглощенном почвенными коллоидами состоянии. Только бобовые культуры с помощью почвенных клубеньковых бактерий способны усваивать молекулярный азот атмосферы.

Азот, поступивший в растения в минеральных формах, проходит сложный цикл превращений, конечным этапом которых является включение его в состав белковых молекул. Белки синтезируются из аминокислот, которые в свою очередь, образуются при взаимодействии аммиака с кетогруппой соответствующих органических кислот – это называется аминированием, т.е.

Наиболее легко подвергаются переаминированию глутаминовая и аспарагиновая кислоты и их амиды – аспарагин и глутамин, что говорит о большой роли этих соединений в процессах обмена веществ в растениях.

СООН · СО · СН

СООН

СООН

СООН · СО · СН

СООН

СООН

СООН · СН = СН · СООН СООН СН₂ СНNН₂СООН

СООН · СН₂ · СНNН₂СООН + СН₃СОСООН

СН₃ · СНNН₂СООН + СООН · СН₂ · СО · СООН

СООН · СН₂ · СН₂ · СНNН₂СООН + СН₃СО · СООН

СН₃ · СНNН₂ · СООН + СООН · СН₂СН₂· СО · СООН

Путем переноса аминогрупп аминокислот на кетокислоты может синтезироваться значительное число аминокислот, входящих в состав белка.

Переаминирование имеет большое значение для синтеза белков, а также для дезаминирования аминокислот. При дезаминировании отщепляется аминогруппа от аминокислоты, в результате чего образуется аммиаки кетокислота, которая используется растением для переработки в углеводы, жиры и другие вещества. Аммиак же вступает в реакцию прямого амминирования кетокислот, возникающих из углеводов, и дает аминокислоты. Кроме того, аммиак реагирует с аспарагиновой и глутаминовой кислотами, способными связать еще по одной его молекуле, давая, таким образом, амиды аминодикарбоновых кислот.
СООН · СН₂ · СНNН₂ · СООН + NН₃ – Н₂О = СОNН₂ · СН₂ · СНNН₂ · СООН

аспарагиновая кислота аммиак аспарагин
Точно также образуется в растениях амид глютаминовой кислоты – глютамин.

Аспарагин и глютамин могут накапливаться в тканях в значительных количествах, не оказывая вреда самим растениям.

Работами академика Д.Н. Прянишникова установлено, что в результате образования аспарагина и глуттимина происходит обезвреживание аммиака, накапливающегося в тканях высших растений при дезаминировании аминокислот или обильном аммиачном питании и недостатке у растений углеводов.

В процессе переаминирования участвуют не только аспарагиновая и глутаминовая кислоты, но и аспарагин и глутамин.

В синтезе белков большую роль играют нуклеиновые кислоты. Они являются как бы матрицей (каркасом), на которой фиксируются в определенной последовательности аминокислоты, вступая в пептидные связи и образуя бесконечное разнообразие белковых молекул.

Наряду с синтезом белков в растениях идет и распад их на аминокислоты с отщеплением аммиака. Гидролиз (распад) белков катализируется ферментами-протеазами. В молодых растущих органах и в молодых растениях синтез белков превышает распад, а в старых органах преобладают процессы распада белков.

Весь сложный цикл синтеза сложных органических веществ в растениях начинается, как показано выше, с аммиака, и распад их завершается его образованием. Это послужило основанием Д.Н. Прянишникову сказать, что «аммиак» есть альфа и омега в обмене азотистых веществ у растений».

При прорастании семени запасные белковые вещества распадаются до аминокислот. При последующем их окислении в деятельных органах проростков азот отщепляется в форме аммиака, который идет на образование аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) и амидов (аспарагина и глутамина) и в конечном итоге используется для синтеза белков и других азотистых соединений во вновь образующихся органах растений.

В дальнейшем по мере образования корневой системы и фотосинтезирующей поверхности листьев синтез белка идет за счет азота, поглощаемого из внешней среды. В начальный период роста растения потребляют сравнительно небольшое количество азота. Однако недостаток его в этот период резко отрицательно сказывается на всем дальнейшем росте растения.

Наиболее интенсивное поглощение растениями азота из почвы и его использование для синтеза аминокислот и белков происходит в период максимального роста и образования вегетативных органов.

В разных частях растений азотный обмен имеет неодинаковые характер и интенсивность, поэтому в растительном организме происходит перераспределение азота. В течение всей вегетации в молодых растущих органах преобладают процессы синтеза, а в более старых – процессы распада белка.

В фазе формирования семян содержащиеся в листьях белковые вещества подвергаются интенсивному распаду, продукты которого (в основном аминокислоты) передвигаются в созревающие семена, где вновь переходят в белки.

При нормальном азотном питании растений повышается синтез хлорофилла и белковых веществ, ускоряется рост и несколько замедляется старение листьев, растения образуют мощную надземную массу, имеющая темнозеленую окраску, улучшается формирование и развитие репродуктивных органов, в результате чего резко повышается урожай и содержание в нем белка.

Избыточное азотное питание растений способствует созданию мощной надземной массы, которая у зерновых часто полегает, задерживает созревание растений, у корнеплодов и клубнеплодов повышается в урожае доля ботвы за счет снижения урожая корней и клубней. Кроме того, в корнях сахарной свеклы накапливается много азотистых соединений (аминокислот), которые снижают процент извлечения сахара; в овощных культурах накапливается много нитратов и нитритов, вредных для людей и животных.

Исследованиями Д.Н. Прянишникова и его учеников установлено, что аммиачный и нитратный азот при определенном сочетании внешних и внутренних условий могут быть равноценными источниками азота для растений. Однако при некоторых условиях лучшим источником азота может быть NН₄⁺, а при других условиях –NО₃^-.

При нейтральной реакции и достаточной обеспеченности кальцием, магнием и калием растения лучше потребляют NН₄⁺, а при кислой реакции и повышенном содержании фосфора и молибдена -NО₃^-. При недостатке молибдена задерживается восстановление нитратов и они могут накапливаться в растениях.

Усвоение аммиачного азота растениями во многом зависит и от внутренних факторов, в частности от содержания углеводов, при недостатке которых мало образуется органических кислот, в том числе и α-кетокислот, которые служат акцепторами для связывания аммиака. Последний накапливается в значительных количествах и может вызывать «аммиачное отравление растений». Поэтому для внесения с семенами, бедными углеводами, лучшей формой азотного удобрения является нитратная.

В черноземах общее содержание азота достигает 0,5%, а в дерново-подзолистых почвах и сероземах не превышает 0,15%, но часто опускается до 0,05%. Общий запас азота в пахотном слое разных почв колеблется от 1,5 до 15 т/га.

Основная масса почвенного азота (до 99%) находясь в составе органических веществ (белковых и гуминовых) недоступна растениям. Только малое количество азота (до1%) содержится в легкодоступной растениям минеральной форме (NО₃^- и обменного NН₄⁺ ). В связи с этим нормальное обеспечение растений азотом зависит от скорости минерализации азотистых веществ в почве.

Разложение азотистых органических веществ в почве в общем виде может быть представлено следующей схемой:

Аммоний (NН₄) поглощается почвенными коллоидами:

| ппк | + (NН₄)₂ СО₃ = | ппк | + СаСО₃

| ппк | + 2НNО₃ = | ппк | + Са(NО₃)₂

На скорость окисления аммиака до нитратов влияют и обработка почвы, известкование и внесенные удобрения.

Процесс нитрификации наряду с положительным значением играет и отрицательную роль, так как нитраты не только накапливаются в почве, но вследствие своей подвижности могут и вымываться из нее, а также подвергаться денитрификации с образованием газообразных форм азота (NО, N₂О, N₂), в результате чего азот выделяется из почвы.

Денитрификация – это процесс восстановления нитратного азота до газообразных форм, в результате чего происходят потери азота из почвы. Он осуществляется обширной группой бактерий, носящей общее название денитрификаторов (Bact. denitrificans, Bact. stutzeri, Bact. fluorescens, Bact. pyocyaneum и др).

Этот процесс особенно интенсивно развивается в условиях, когда в почве отсутствует воздух, почва имеет щелочную реакцию и в избытке органическое вещество, богатое клетчаткой, глюкозой или другими углеродами. Процесс восстановления нитратов до нитритов происходит с участием фермента нитратредуктазы, а дальнейшее восстановление нитратов – с помощью нитритредуктазы.

С₆Н₁₂О₆ + 6НNО₃ 6СО₂ + 9Н₂О + 3N₂О + 2289 кДж

В настоящее время установлено, что восстановление нитратов денитрифицирующими бактериями идет через ряд промежуточных этапов:

Помимо биологической денитрификации, газообразные потери азота из почвы обусловлены косвенной денитрификацией, или хемоденитрификацией, то есть восстановлением нитратов в результате ряда химических реакций. В ней участие микроорганизмов ограничивается разложением органического вещества до аминокислот, аммиака и азотистой кислоты, которые вступая между собой в реакцию восстанавливают свой азот до молекулярного.

3NН₂ОН + НNО₂ 5Н₂О + 2N₂

Кроме того, азотистая кислота очень нестойка, при кислой реакции (рН ниже 5) она очень легко разлагается с образованием азотистой кислоты и окиси азота, которая может улетучиваться из почвы.

В почве одновременно с минерализацией азотсодержащих органических соединений происходят процессы иммобилизации, которые носят биологический характер. Микроорганизмы строят белок своих тел, используя углеводы и азот, в результате минеральные соединения азота вновь переходят в органические, неусвояемые для растений.

В результате биологического синтеза в почве азот не теряется а переходит в состав сложных органических соединений.

При отмирании и последующем разложении микроорганизмов белковый азот их тел частично освобождается в минеральные формы (NН3), а часть в процессе гумификации включается в состав гумусовых веществ.

Процессы мобилизации и иммобилизации азота протекают в почве одновременно, интенсивность их, соотношение между ними в значительной мере определяют азотный режим в почве и условия азотного питания растений.

Биологический азот в земледелии играет огромную роль, как с научной точки зрения, так и с точки зрения производства и агроэкологии.

Микробиологическая фиксация атмосферного азота – это экологически чистый путь снабжения растений азотом, требующий относительно небольших энергетических затрат на активизацию азотофиксаторов в почве. Установление благоприятного сочетания биологического азота с азотом вносимых удобрений в питании сельскохозяйственных культур позволяет сбалансировать круговорот питательных веществ в земледелии, не вызывая нарушения равновесия в окружающей среде, то есть в биогеоценозах.

Большую часть воздуха составляет газообразный азот. Над каждым гектаром суши и водной поверхности Земли содержится 80 тысяч тонн азота, который практически недоступен большинству высших растений. Только бобовые культуры и целый ряд микроорганизмов обладают уникальной способностью фиксировать молекулярный азот атмосферы.

К настоящему времени уже имеются сведения о фиксации азота ризосферой риса, кукурузы, сорго, пшеницы и других культур. В целом известно более 200 видов небобовых культур, фиксирующих азот атмосферы с помощью микроорганизмов ризосферы. Однако симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями наиболее продуктивен, величина биологической фиксации при этом может достигать 300 кг/га азота.

Согласно оценкам ученых (Мишустин, 1983 г) суммарная годовая продукция азотфиксации в наземных экосистемах составляет 175-190 млн. тонн, из которых 90-110 млн. тонн приходится на почвы сельскохозяйственных угодий. Ежегодный выпуск минеральных удобрений 60млн. тонн, кроме того, с органическими удобрениями вносится около 15 млн. тонн. С учетом коэффициентов использования азота этих удобрений (для минеральных не более 50%, для органических 15-30%) сельскохозяйственные растения получают из этих источников 30-35 млн. тонн азота в год. В тоже время ежегодный вынос азота из почвы с продукцией сельского хозяйства составляет 110 млн. тонн (FAO production year book, 1981). Следовательно, основная масса азота в урожае (70-75%) представлена азотом «биологическим» и азотом минерализующегося органического вещества почвы. Поэтому изучение особенностей ассоциативной азотфиксации привело к выводу о большой ее экологической значимости – именно этим путем, вероятнее всего, происходит пополнение фонда доступного азота в большинстве природных экосистем.

Основным ферментом, осуществляющим процесс азотофиксации является нитрогеназа, выделение которого возможно только в анаэробных условиях. Характерной особенностью этого фермента является восстановление не только молекулярного азота, но и других субстратов, обладающих тройными связями.

В состав симбиотических азотофиксирующих систем, помимо нитрогеназы, входят другие металлсодержащие белки бактероидов и тканей клубенька, особенно железосодержащего белка леггемоглобина, роль которого в механизме симбиотической фиксации молекулярного азота огромна.

Проблема фиксации молекулярного азота комплексная, она затрагивает микробиологию, химию, агрохимию, биологическую химию, физику, молекулярную биологию и молекулярную генетику.

Трудно переоценить агрономический эффект, который получают от посевов бобовых культур в севообороте. Они оставляют на поле богатые азотом пожнивные остатки, не только накапливают азот, но и ускоряют минерализацию растительных остатков, повышают использование почвенного азота и увеличивают урожай последующих культур. Практика показывает, что высокие урожаи бобовых культур можно получать лишь при устранении кислой реакции почв, применении фосфорных, калийных и отдельных микроудобрений.

Молекулярный азот фиксируется и несимбиотическими, свободноживущими бактериями, интенсивность азотофиксации которых во многом зависит от запасов легкодоступных органических соединений в почве, влажности, температуры, механического состава, степени аэрированности корнеобитаемого слоя, концентрации СО₂, наличия в почве макро- и микроэлементов.

Сведения о величине не симбиотической азотофиксации разноречивы и колеблются от 1,0 до 80 кг/га азота.

Наиболее важные практические аспекты проблемы биологического азота:

1. 
   Эколого-биологическое и агрономическое изучение естественного процесса позволит все более полноценно использовать природную фиксацию азота и найти способы ее интенсификации;
   
2. 
   Знание условий связывания азота биологическим путем позволит разработать новые способы получения азотных удобрений;
   
3. 
   Использование генной инженерии, а также ряда достижений биохимии и молекулярной биологии будет способствовать распространению процесса азотофиксации на многие сельскохозяйственные культуры;
   
4. 
   Расшифровка механизма фиксации азота дает возможность более целенаправленно разработать пути воздействия на этот процесс в природе с целью его интенсификации.
   

Синтетический аммиак используют не только для производства аммонийных солей, но и азотной кислоты, которая идет для производства аммонийно-нитратных и нитратных удобрений.

Все минеральные азотные удобрения делятся условно на четыре группы:

1. 
   Нитратные удобрения, содержащие N в нитратной форме – КNО₃, Са(NО₃)₂, NаNО₃.
   
2. 
   Аммонийно-аммиачные удобрения, содержащие N в аммонийной или аммиачной форме – (NН₄)₂, NН₄Cl, NН₃, NН₄ОН.
   
3. 
   Аммонийно-нитраные удобрения, содержащие N в аммонийной и нитратной формах – NН₄NО₃.
   
4. 
   Амидные удобрения, содержащие N в амидной форме – СО(NН₂)₂
   

Выпускаемая сегодня NаNО3 является побочным продуктом при получении азотной кислоты из аммиака. Это мелкокристаллическая соль белого или желтовато-бурого цвета, хорошо растворимая в воде. Обладает слабой гигроскопичностью, поэтому при правильном хранении не слеживается и сохраняет хорошую рассеиваемость.

Получается при нейтрализации азотной кислоты известью, а также в качестве побочного продукта при производстве комплексных удобрений – нитрофосок.

Это кристаллическая соль белого цвета, очень гигроскопичная и даже при нормальных условиях хранения сильно слеживается, доходя до полужидкого состояния.

Натриевая и кальциевая селитры – это физиологически щелочные удобрения. Из них растения больше поглощают анион –NО₃^-, а катион с углекислотой почвы дает щелочь, подщелачивая почвенную среду.

Реакция NaNO₃ и Ca(NO₃)₂ с почвой:
| ппк | + 2NаNО₃ | ппк | + Са(NО₃)₂

| ппк | + Са(NО₃)₂ | ппк | + 2НNО₃

Катионы Са и К поглощается почвой, а анионы остаются в почвенном растворе сохраняя высокую подвижность. Поэтому эти удобрения во избежание потерь рекомендуется вносить весной под перепашку зяби или предпосевную культивацию.

Получается нейтрализацией серной кислоты аммиаком, выделенным из отходящих газов при коксовании углей (коксохимический сульфат аммония) или поглощением серной кислотой синтетического аммиака (синтетический сульфат аммония).

Кристаллическая соль, хорошо растворимая в воде. Гигроскопичность слабая, поэтому при правильном хранении не слеживается.

Синтетический сульфат аммония белого цвета, а коксо-химический из-за наличия органических примесей имеет серую, синеватую или красноватую окраску.

Получают как побочный продукт при производстве соды. Кристаллическая соль, хорошо растворимая в воде и мало гигроскопичная.

Сульфат аммония и хлористый аммоний являются физиологически кислыми удобрениями, так как растения больше поглощают катион, а анионы с почвенной водой дают кислоты, которые и подкисляют почвенный раствор.

Из этих удобрений NН₄ поглощается nnk, предотвращая подвижность азота, поэтому указанные удобрения можно вносить и осенью.

При внесении же при посеве или в подкормку предпочтение нужно отдавать нитратным удобрениям, потому что их азот легче потребляется растениями.
Жидкие аммиачные удобрения

3. Безводный аммиак – NН₃ – содержит азота – 82%. Получается сжижением газообразного аммиака под давлением. По внешнему виду – бесцветная подвижная жидкость с плотностью 0,61 и температурой кипения 34ºС. При хранении в открытых сосудах быстро испаряется, поэтому храниться в герметически закрытых стальных цистернах.

4. Аммиачная вода – NН₄ОН – содержит азота 16-20% в зависимости от сорта: 1-й сорт 20,5%, второй 16%.

Аммиачная вода – это раствор безводного аммиака в воде, бесцветная или желтоватая жидкость с резким запахом нашатырного спирта. Упругость паров аммиака небольшая, поэтому хранить и транспортировать ее можно в герметических резервуарах, рассчитанных на невысокое давление.

В аммиачной воде азот находится в виде NН₃ и NН₄ОН, причем NН₃ содержится больше, чем NН₄ОН. Этим обусловлена возможность потерь азота за счет улетучивания NН₃. Использовать ее в качестве удобрения проще и безопаснее, чем жидкий аммиак, но низкое содержание N может рассматривать как ее недостаток. Вот почему ее производство уменьшается, а производства безводного аммиака увеличивается.

Преимущества жидких азотных удобрений заключается в том, что производство и применение их обходятся значительно дешевле. Стоимость единицы азота в жидком и водном аммиаке в 2 раза меньше, чем в аммиачной селитре, а затраты труда на их внесение почти в 3 раза ниже, чем твердых удобрений.

Жидкие азотные удобрения вносят специальными машинами, обеспечивающие немедленную заделку их на глубину 10-12 см на тяжелых почвах и 16-18 см на легких. Поверхностное внесение их недопустимо, потому что NН₃ сразу испаряется.

Жидкие азотные удобрения можно вносить и под зяблевую вспашки, и под предпосевную культивацию и даже в подкормки. При работе с ними необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Гранулированная аммиачная селитра при правильном хранении слеживается меньше и лучше сохраняет рассыпчатость. В ней половина (17%) азота в форме NН₄⁺, а половина (17%) – в форме NО₃^-. Из ее раствора растения быстрее поглощают NН₄⁺, чем NО₃^-, поэтому она является физиологически кислым удобрением.

Мочевина является одной из лучших азотных удобрений и по эффективности равноценна аммиачной селитре, а на рисе – сульфату аммония. Ее можно применять под все культуры как в основное удобрение, так и в подкормки. При внесении в почву мочевину сразу же нужно заделывать, чтобы избежать потери в виде аммиака.

Во внекорневую подкормку овощных, плодовых и зерновых культур предпочтительнее применять мочевину, она дает меньше ожогов, чем аммиачная селитра.

Для консервации азота мочевины и аммиачных удобрений в почве в аммонийной форме используются ингибиторы нитрификации, которые при внесении в почву с удобрениями в дозе 1,5-2,0 кг/га ториозят нитрификацию в течение 1,5-2 месяцев и сохраняют минеральный азот почвы в аммиачной форме, снижая потери азота в газообразной форме и в форме нитратов в 1,5-2,0 раза. Такое сочетание аммиачных удобрений и ингибиторов нитрификации, снижая потери азота, значительно повышает эффективность применяемых удобрений.

1. Проверка посещаемости

2. Вопросы по предыдущей лекции

1) Что такое аммонификация, нитрификация и денитрификация

2) Что такое аминирование, дезаминирование и переаминирование

3) Какова классификация азотных удобрений

4) Назовите основные азотные удобрения и их действующие начала