Поиск

Нитрификация
27.06.2015

Понятие

Процесс нитрификации в целом состоит в окислении азота органического вещества в азотную кислоту. Осуществляется он в три фазы: в первой фазе под влиянием разнообразных микробов образуется аммиак (NH3), во второй фазе аммиак окисляется специальным микробом Nitrosomonas (нитрозный микроб) в азотистую кислоту (NO2), и наконец в третьей фазе азотистая кислота окисляется нитратным микробом Nitrobacter (нитратный) в азотную кислоту (NO3). Общая схема этих превращений имеет следующий вид:
N органический → NH3 → NO2 → NO3.

Процесс нитрификации как окислительный осуществляется только в аэробных условиях. В условиях анаэробных процесс может пойти в обратную сторону, причем часто выделяется свободный газообразный азот. Этот процесс носит название денитрификации и является чрезвычайно отрицательным с с.-х. точки зрения.
Зависимость от внешних факторов

Нитрификационный процесс в высокой степени зависит от влажности и солевого режима почвы и потому может быть широко регулируем. Для иллюстрации зависимости от влажности почвы приведем следующие данные, относящиеся к серозему Средней Азии (Ак-Кавак, Кононова):
Нитрификация

Эти же цифры представлены на чертеже 67.
Полученные данные очень рельефно показывают, что при малой влажности в 20% от полной влагоемкости (что соответствует 7,3% от веса почвы) нитрификация практически не идет. При влажности в 40 и 60% от влагоемкости она протекает энергично, а при избыточном увлажнении в 80 и 90% (что отвечает 29,3 и 32,9% от веса почвы) интенсивно развиваются процессы денитрификации, приводящие к полному исчезновению из почвы азотной кислоты и частично к безвозвратной потере азота в виде элементарного N.
Нитрификация

Зависимость нитрификационного процесса от воднорастворимых солей очень серьезна. По американским данным предельные концентрации солей для отдельных фаз нитрификации выражаются следующими величинами (в процентах раствора):
Нитрификация

Эти концентрации весьма низкие и подчеркивают большую чувствительность к солям нитратных микробов.
Pубель в биологических фильтратах наблюдал несколько большую устойчивость тех же микробов, а именно: нитратный в отношении к Na2СO3 выдерживает концентрации от 0,05 до 0,1% и останавливает развитие при 0,3—0,4. В отношении NaCl нитрозный микроб стимулирует свою деятельность при 0,6—0,8% постанавливает развитие при 2%. Нитратный микроб оказался несколько чувствительнее. Стимулирующее действие на нитратных, бактерий небольших доз солей наблюдал в полевой обстановке Простаков на участке Гусельском, б. Саратовской губ., при искусственном засолении. Эти данные приводятся в нижеследующей таблице 91.
Нитрификация

Весьма показательные данные о стимулирующем действии на бактерий аммонификации и нитрификации и, вместе с тем, об антагонистическом действии смесей солей получили в лабораторной обстановке Липман и Бургес. Опыты ставились таким образом: к 100 г почвы прибавлялся 1 г сухой крови и испытуемые соли и затем наблюдалось количество образующихся нитратов. Полученные данные приводятся в нижеследующих таблицах 92 и 93.
Нитрификация

Данные цифры лабораторных опытов, так же как и в отношении солевыносливости растений, конечно не имеют абсолютного значения, но лишь иллюстрируют возможный характер явления в природной обстановке. Общий смысл этого явления заключается в том, что пары солей действуют гораздо менее вредно, чем одиночные соли, а иногда они (пары) даже стимулируют жизнедеятельность микробов. Так например в случае соды токсическая доза ее (0,05%) понижает нитрификацию с 23,4 до 6,0 мг, т. е. почти в 4 раза. Прибавка к соде хлористого натрия в количестве 0,05% уже понижает несколько это токсическое действие; при комбинации 0,05% Nа2СО3 плюс 0,15% NaCl продукция нитратов приближается к контролю (22,5), при увеличении NaCl до 0,20% превышает контроль (25,9 против 23,4 кг), и только при больших дозах NaCl вновь наступает резкое угнетение нитрификации. Этот тип явления выражен во всех приведенных таблицах.
Если мы сравним абсолютные величины концентраций опытов Липмана с вышеприведенными данными таблицы 90, то увидим, что последние значительно ниже. К сожалению сколько-либо систематических полевых наблюдений за солевыносливостью нитрифицирующих бактерий мы не имеем и потому еще не намечено сколько-либо твердой нормы осолонения для них. В общем виде можно пока считать, что соле устойчивость бактерий лежит в тех же пределах, что и солеустойчивость растений.
Нитрификация в полевых условиях при орошении

Ниже мы познакомимся кратко с общими закономерностями нитрификационных процессов при орошении, главным образом по материалам Средней Азии, так как здесь они изучены наиболее широко.
Нитрификация

Общее влияние орошения на нитрификационную способность почвы. Мы уже знаем, что степень влажности почвы оказывает решительное влияние на энергию нитрификации. Поэтому если мы сравним продукцию нитратов на неорошаемой и действительно сухой почве с продукцией в условиях орошения, то естественно должны ожидать найти серьезную разницу. Для условий Средней Азии (Голодная степь) ото соотношение может быть иллюстрируемо чертежом 68 (Розов). В данном случае паровая долинка по орошалась, но увлажнялась боковой фильтрацией с соседних орошаемых делянок и грунтовой водой, находящейся на глубине 1,5 м. Целина увлажнялась только атмосферными осадками весной. Мы видим, что на целине количество нитратов не превышает 5,6 мг им 1 кг почвы, тогда как на паровой делянке максимум их выражен цифрой 472 мг, а в среднем осенью около 280 мг на 1 кг почвы; превышение против целины в 50 раз.
Исследования Кононовой устанавливают, что при орошении увеличивается самое число нитрифицирующих бактерий и их активность.
Картина изменения числа бактерий видна из следующих данных по Голодной степи (Пахта-Арал):
Нитрификация

Для тех же делянок была определена активность нитрифицирующих бактерий по способности их окислять (NH4)2SO4. Полученные данные представлены в нижеследующей таблице:
Нитрификация

Из приведенных двух таблиц мы видим, что орошение очень резко увеличивает число микробов в почве (в 100 раз) и вместе с тем заметно повышает их физиологическую активность. Таким образом в целом нитрификационный процесс на орошаемых почвах становится совершенно иным, чем на сухих, неорошаемых.
Если целина получает достатачное количество атмосферных осадков, то прирост нитратов от орошения становится менее значительным, а в некоторых случаях может стать даже отрицательным. Это объясняется специфическим влиянием некоторых способов полива (затопление) и будет ясно из ближайшего анализа режима нитрификации при орошении, к ознакомлению с которым мы и переходим.
Режим нитрификации при орошении. Типичный ход кривой нитрификации в течение вегетационного сезона на орошаемом поле показан на чертеже 69 (Ак-Кавак, Кононова). Это паровая делянка, орошаемая затоплением ежемесячно нормой в 1 500 м3.
Нитрификация

Движение нитратов под культурой может быть иллюстрировано чертежом 70, представляющим делянку хлопка в Голодной степи (Розов). Общие закономерности движения этих кривых заключаются в следующем. На паровой делянке нитраты постепенно накапливаются от весны к осени, причем этот процесс особенно резко, скачкообразно» проявляется обычно с начала августа. Так на чертеже 69 среднее количество нитратов в однометровом слое до августа можно принять равным приблизительно 30 мг на 1 кг почвы, тогда как после 1 августа — уже около 55 мг.
На делянке хлопка (черт. 70) ход кривой за сезон совершенно иной. Здесь максимум нитратов приходится на начало вегетации, по мере развития растений количество их падает, а в период созревания часто минеральный азот полностью исчезает из почвы. Причина такого хода запасов нитратов под культурой объясняется энергичным потреблением их растением, особенно в период плодообразования. Полное исчезновение нитратов свидетельствует об азотистом голодании в этот период и обязывает к принятию специальных мер против этого во избежание потерь в урожае.
Вторая общая закономерность заключается в характере кривой в моменты полива затоплением. Как нам уже известно и видно на кривой влажности (черт. 69), в моменты полива почва находится в состоянии избыточного увлажнения и нисходящего тока воды. Кривая нитрификации реагирует на эти моменты резким падением. Явление протекает совершенно одинаково как на пару (черт. 69), так и под культурой (черт. 70).
Нитрификация

Причина его заключается в двух обстоятельствах: во-первых, поливная вода выщелачивает нитраты в глубокие горизонты почвы. Здесь полив в 1 200 м3 давался по мелким бороздам. Мы видим, что на второй день после полива нитраты резко переместились на глубину 40—100 см, однако на 5-й день они вновь поднялись капиллярно к поверхности. Следовательно это динамика чисто физического порядка. Однако в других случаях, особенно при поливе затоплением, наблюдается явление другого порядка, именно абсолютная потеря азота в первые моменты после полива.
Это обстоятельство чрезвычайно важно практически, и потому мы остановимся на нем несколько подробнее.
Причина отрицательного действия поливов затоплением заключается в том, что при этом в значительной мере разрушается (расплывается) структура почвы, все поры ее оказываются заполненными водой, аэрация отсутствует, и развиваются восстановительные процессы вообще и в частности денитрификация.
Кононова (Ак-Кавак) для выяснения судьбы нитратов при разных способах (и соответственно степенях) увлажнения поставила лабораторные опыты в трубках и получила следующие результаты (табл. 96):
Нитрификация

Мы видим, что при избыточном увлажнении нитраты очень быстро полностью исчезают, превращаясь частично в аммиак, а в большей части в газообразный азот и следовательно теряясь безвозвратно (последнее доказано специальными экспериментами). Таким образом здесь имеет место типичный случай денитрификации.
Наличие общих восстановительных условий в почве при избыточном увлажнении показано Кононовой путем изучения так называемого окислительно-восстановительного потенциала.
В одном ив опытов в трубках получены следующие результаты:
Нитрификация

Мы видим, что при избыточном увлажнении Eh стремительно падает с 0,667 до 0,129 на 4-е сутки и нитраты при этом полностью исчезают. При капиллярном увлажнении Eh и количество нитратов остается неизменным.
Аналогичные измерения сделаны непосредственно в поле, на пару, орошаемом затоплением, и на хлопчатнике, орошаемом инфильтрацией. Результат получился аналогичный, как это показано на чертежах 71 и 72.
Нитрификация

Здесь видно, что после затопления в течение трех суток имеет место резкое понижение Eh. При поливе инфильтрацией это понижение наблюдается только по дну борозды и лишь на глубину 2 см, тогда как на гребне потенциал остается неизменным.
Сравнительный ход нитрификации при бороздном поливе и затоплении изучен на Ак-Каваке (Гельцер).
Нитрификация

Полученные ею в течение 1929 и 1930 гг. данные представлены на чертеже 73. Мы видим на нем, что кривая нитрификации при поливе инфильтрацией идет все время выше, чем при поливе затоплением. Ближайший анализ процесса в самой борозде, по которой идет вода, и в гребне, который увлажняется лишь капиллярно, показал, что он протекает здесь совершенно различно, а именно: в борозде, так же как и при затоплении, — низко, а в гребне значительно выше; это показано на чертеже 74.
Нитрификация

Общая модель явления в течение сезона представлена на чертеже 75.
Итак следовательно мы констатируем, что эффект нитрификации существенно различен при равных способах полива, и именно при затоплении он значительно ниже. Наблюдения показывают, что иногда при затоплении нитрификация за сезон оказывается даже более низкой, чем на неорошаемом поле (но, понятно, при достаточном атмосферном увлажнении) — черноземы Северного Кавказа, темно-каштановые почвы Заволжья и т. д. Причина лежит здесь в значительных потерях азота в процессе денитрификации. При поливе бороздном эти отрицательные явления наблюдаются иногда лишь при чрезмерно больших оросительных нормах, как например 1 600 м3 для Станции удобрений (Жориков).
Резюмируя сделанное рассмотрение нитрификации в условиях орошения, мы должны констатировать, что соответственно подобранной системой орошения мы можем регулировать ее в широких пределах с существенной пользой для урожая.
Нитрификация