Соединения азота в почве

Щелочность и кислотность почв

По формам проявления кислотных и щелочных свойств почв принято различать актуальную и потенциальную кислотность и щелочность.

Актуальная кислотность и щелочность характеризуются концентрацией ионов водорода и гидроксила в почвенном растворе.

Степень кислотности и щелочности почвенных растворов, вытяжек и суспензий оценивают величиной рН, количественно кислотность и щелочность определяют по содержанию титруемых, соответственно, щелочами (обычно NаOH) или кислотами (НСl) веществ, обладающих кислыми или щелочными свойствами.

На практике чаще измеряют рН водной вытяжки или водной суспензии, а не рН почвенных растворов кислотность почвенных растворов связана с присутствием в почвах свободных органических (главным образом, гумусовых) и неорганических (преимущественно, угольной) кислот и других органических и минеральных соединений, способных оказывать влияние на кислотно-основное равновесие В почвенных растворах. Среди таких органических компонентов почв следует назвать соединения, содержащие фенольные группы, а среди минеральных компонентов - катионы Al3+ и Fe3+, кислотные свойства которых соизмеримы с кислотными свойствами таких кислот, как угольная и уксусная.

Потенциальные кислотность и щелочность почв проявляются в результате различных воздействий на почву. В настоящее время понятие потенциальной кислотности почв разработано значительно более подробно, чем понятие потенциальной щелочности, сведений о которой недостаточно.

Потенциальную кислотность почв принято определять при воздействии на почву растворов хлорида калия (обычно 1 N. раствор КCl) - обменная кислотность, - или растворов гидролитически щелочной соли (обычно 1 N. раствор CH3COONa)-гидролитическая кислотность.

Величину обменной кислотности оценивают по величине рН солевой вытяжки. Для количественного определения кислотности солевую вытяжку титруют раствором щелочи.

В случае обработки почвы раствором КCl возможны следующие реакции обмена катионов почвенно-поглощающего комплекса:

В дальнейшем, при титровании солевой вытяжки раствором NaOH в реакцию вступают HCl и AlCl₃:

Ионы Al³⁺, выделенные из почвенно - поглощающего комплекса в раствор, оказывают влияние на степень кислотности, поскольку в водных фазах образуются ионы Аl(ОН)₂⁺ и Al(OH)²⁺.

Пpoцecc ионного обмена, протекающий при обработке почвы раствором CH₃COONa, можно представить уравнением:

Уксусная кислота, образующаяся в этом случае, как известно, значительно слабее, чем НCl, выделяющийся при обработке почв растворами KCl. Поэтому процесс обмена по реакции протекает более глубоко и величина гидролитической кислотности всегда выше, чем величина обменной кислотности. Значения рН водной вытяжки после обработки почвы 1 N. раствором CH₃COONa обычно находятся в интервале 6,2-7,5 в отличие от рН 3,0-6,5, характерного для случая обработки почв раствором КСl. Интервал рН 6,2-7,5 соответствует области минимальной растворимости Al(OH)₃, поэтому, хотя Al³⁺ и оказывает влияние на величину гидролитической кислотности и участвует в обмене катионов в водной вытяжке, полученной при обработке почв раствором CH₃COONa, соединений алюминия практически нет.

Соединения азота в почве

Основное количество соединений азота сосредоточено в верхнем почвенном горизонте и представлено, главным образом, органическими соединениями. В среднем на долю азота приходится около 5 % от массы органического вещества почвы, что составляет обычно 0,02-0,4% от массы пахотного слоя почв. Помимо органических соединений (гумусовые вещества и растительные остатки), азот в почве присутствует в виде неорганических компонентов в почвенном воздухе, почвенном растворе и в обменном или фиксированном состоянии входит в состав твердой фазы почв.

Среди органических соединений азота от 20 до 50% составляют аминокислоты, обнаруживается присутствие амидов, аминосахаров и гетероциклических соединений. Около 50% органических соединений азота остаются неидентифицированными. Все органические соединения азота можно разделить на легко разлагаемую и стабильную фракции. На долю первой приходится обычно менее одной трети всего органического азота почвы.

Органические соединения азота, содержащиеся в почве, являются основным резервом для питания растений. В результате процессов химической и, преимущественно, биохимической трансформации этих соединений происходит образование доступных для растений веществ, протекает так называемый процесс мобилизации азота.

Соединения азота всегда содержатся в поступающих в почву растительных остатках и мобилизуются в процессе их разложения. Особенно интенсивно этот процесс протекает на ранних стадиях распада растительных остатков, когда соотношение массы углерода и азота в них ниже 20. В дальнейшем скорость поступления соединений азота определяется

При газовом обмене с атмосферным воздухом часть почвенного азота теряется.скоростью разложения органического вещества почвы.

В почвенном воздухе соединения азота представлены молекулярным азотом, аммиаком, гемиоксидом, оксидом и диоксидом азота.

Главными причинами образования газообразных соединении азота в почве является протекающие при участии микроорганизмов процeccы аммонификации, нитрификации и денитрификации.

Аммонификация - это процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов. В результате этого процесса в почвенном воздухе появляется газообразный аммиак, а в почвенном растворе - ионы аммония.

Неорганические соединения азота присутствуют в почве в виде NH₄⁺ и NО₃^- , лишь в некоторых щелочных почвах могут встречаться небольшие количества ионов NО₂-.

Нитрофикация

Окисление аммиака микроорганизмами протекает в два этапа. На первом этапе под воздействием бактерий Nitromonas происходит окисление ионов NH₄+ до ионов NО₂-. Образующиеся на этой стадии соли азотистой кислоты подвергаются дальнейшему окислению, которое протекает с участием бактерий Nitrobacter. При этом ионы NО₂- переходят в NО₃-.

В процессе нитрификации в почву поступают ионы водорода:

NH₄+ + 2О₂ = NО₃^- + Н₂О + 2Н+

Поэтому процессы нитрификации сопровождаются закислением почв, и при длительном применении, аммонийных удобрений необходимо предусматривать компенсирующее известкование почв.

Если аэрация почв затруднена нитрификация может прекратиться, и в почве начнутся процессы денитрификации.

Денитрификацкя - процесс восстановления, в результате которого происходит образование газообразных соединений азота, выделяющихся в атмосферу. Различают два пути денитрификации: косвенный, или химический, и прямой, или биологический.

Косвенный процесс денитрификации связан с протеканием химических реакций:

Разложение азотной и азотистой кислот следует отнести к основным процессам косвенной денитрификации в кислых почвах при рН<5,5. Для таких почв отмечалось заметное увеличение содержания диоксида азота в почвенном воздухе, что указывает на преимущественное протекание процесса разложения ионов NО₃^-. Небиологическому восстановлению нитритов могут способствовать Cu²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ и увеличение содержания органических компонентов с фенольными группами. В некоторых предварительно стерилизованных почвах в течение 10 дней содержание нитритного азота уменьшалось в результате процессов косвенной денитрификации в 3 раза.

Однако, как отмечается многими исследователями, косвенная денитрификация играет значительно меньшую роль в процессах восстановления соединений азота, чем биохимическая денитрификация.

Различают два типа процессов биохимической денитрификации: специфическую, или диссимиляторную, и неспецифическую денитрификации. В процессе диссимиляторной денитрификации происходит восстановление нитратов до молекулярного азота в результате переноса электронов с субстрата (донора электронов) на нитраты, при этом высвобождается необходимая для микроорганизмов энергия. Неспецифическая денитрификация не выполняет энергетических функций. В этом процессе нитраты восстанавливаются преимущественно до нитритов.

Неспецифическую денитрификацию часто рассматривают как первую стадию процесса денитрификации, при которой нитраты восстанавливаются до нитритов. Дальнейшее восстановление происходит в результате диссимиляторной денитрификации и протекает при участии микроорганизмов из родов Pseudomonos, Achromobacter, Micrococcus, Bacillus, Thiobacillus. Эти бактерии в большинстве являются факультативными анаэробами и используют нитраты как источник энергии в отсутствие кислорода.

Подавляющее большинство денитрифицирующих бактерий, как уже отмечалось выше, относится к факультативным анаэробам, которые при большой концентрации кислорода могут перейти на обычное дыхание. Поэтому процесс денитрификации протекает и в аэробных, и в анаэробных условиях. Однако наиболее интенсивно этот процесс протекает в плохо дренированных почвах при величине рН раствора, близкой к нейтральной, температуре порядка 25°С и окислительно-восстановительном потенциале почвенного раствора менее 0,35 В.

Необходимо отметить, что в npoцecce денитрификации часто происходит образование заметных количеств гемиоксида азота. Ежегодная эмиссия N2O из почв, по данным Д.С. Орлова, может достигать 20-50 г/га. Как известно, инертный в тропосфере, гемиоксид азота, достигая стратосферы, разлагается с образованием оксида азота, нарушающего нулевой цикл озона. Поэтому увеличение количества образующегося в почве гемиоксида азота, которое связано с ростом использования азотных удобрений, может оказать влияние на озоновый слой планеты.

Суммарно процесс трансформации неорганических соединений азота в почве можно представить схемой:

где K₁,K₂,K₃,K₄ - константы скоростей соответствующих реакций нитрификации и денитрификации, Г - сумма газов N₂O, NO, NO₂, N₂. Скорости соответствующих реакций зависят от температуры почв, рН, степени аэрациии, следовательно, окислительно -восстановительного потенциала почвенного раствора, содержания влаги, органических веществ и ингибиторов. Реакции нитрификации относятся к реакциям первого порядка, а реакции денитрификации имеют нулевой порядок, поэтому можно записать:•

	(3.25)
	((3.26)
	(3.27)
	(3.28)

Для средних условий почв соответствующие константы скоростей реакций равны:K₁= 0,02 ч^-1, К₂= 0,04 ч^-1, К₃= 0,015 мг кг^-1(N)*ч^-1 К₄= 0,01 мг кг^-1(N)*ч^-1. Величина константы скорости процесса окисления ионов NO₂ в нитрат - ионы K₂ - 2 раза превосходит константу скорости образования нитрит - ионов (К₁), поэтому нитриты, как уже отмечалось, практически не накапливаются в почве. Значение констант К₃ и К₄ в значительной степени зависят от окислительно - восстановительных условий и присутствия ингибиторов в почве.

Природными источниками поступления соединений азота в почву являются соединения азота, присутствующие в атмосфере и поступающие с атмосферными осадками, азот атмосферы, фиксируемый бактериями, и азот, содержащийся в остатках живых организмов. К этим источникам все в больших количествах добавляются антропогенные поступления.

Органические остатки живых организмов подвергаются гумификации и аммонификации. Ионы NH₄⁺ частично усваиваются растениями, частично участвуют в процессах гумификации или связываются почвенно-поглощающим комплексом. Часть ионов вымывается с инфильтрационной влагой или подвергается процессу нитрификации. Нитрат-ион активно поглощается растениями, частично подвергается денитрификации, замыкая тем самым биохимический цикл азота, а частично переходит в подземные воды, что во многих случаях приводит ких загрязнению.

Ежегодный баланс по соединениям азота, который долгие годы существовал в природе, в настоящее время нарушен, в следствие деятельности человека (слайд 16). Проблема стабилизации глобального цикла азота является одной из важнейших глобальных экологических проблем стоящих перед человечеством.