7. Роль биологического и технического азота в земледелии России и других стран

В настоящее время имеющийся дефицит азота в большинстве почв страны покрывается внесением минеральных азотных удобрений, органических удобрений и биологической фиксацией молекулярного азота микроорганизмами, находящимися как в симбиозе с высшими растениями, так и свободно живущими в почве. «Биологический азот», поставляемый микроорганизмами, повышает продуктивность почв. Несмотря на значительное расширение объема применения азотных удобрений, перспективы широкого использования биологического азота в сельском хозяйстве велики. Широкое использование биологического азота в земледелии обеспечивает снижение энергозатрат, экономию материальных ресурсов, уменьшает загрязнение окружающей среды продуктами деградации азотных удобрений. Кроме того, возделывание бобовых (и в первую очередь многолетних трав) способствует оптимизации микробиологической обстановки в почве, улучшению целого ряда ее физико-химических свойств, в результате чего существенно повышается почвенное плодородие.

Однако, использование «технического азота» - азота минеральных удобрений – является одним из наиболее эффективных путей покрытия азотного дефицита почв. В связи с этим темпы развития мирового производства минеральных удобрений, и особенно азотных, непрерывно растут. За последние 50 лет производство азотных удобрений на земном шаре увеличились в 29 раз. Уровень применения минеральных удобрений в различных странах неодинаков. Естественно, что урожайность сельскохозяйственных культур в отдельных странах стоит в определенной зависимости от количества минеральных удобрений. Так, в среднем на 1га обрабатываемых земель ежегодно используется следующее количество минерального азота (в кг): в Японии – 112, в Голландии – 128, в Германии – 54, в Великобритании – 39,3, в США – 14,6. Средняя доза азотных удобрений в России на 1га пахотной площади приближается к 11 кг (в расчете на азот). Следует отметить, что минеральные удобрения, и особенно азотные, вносятся обычно не равномерно на всю используемую в сельском хозяйстве площадь. Так, в России технические культуры (хлопчатник, чай, сахарная свекла, цитрусовые и т.д.) практически полностью удовлетворяются необходимыми им основными элементами (N, P, K) питание в форме минеральных удобрений. Зерновые же культуры получают их не везде и не в полной мере. Например, в 1965 г. по РСФСР только 15% зерновых посевов получили в той или иной форме минеральные удобрения. Приведенные дозы азотных удобрений интересно сопоставить с валовым выносом азота урожаем. В среднем можно считать, что с урожаем зерна в 10 ц/га уносится с поля (с зерном и соломой) около 30 кг азота. Коэффициент использования азотных удобрений в лучшем случае равен примерно 75%. Таким образом, для обеспечения каждых 10 ц зерна на 1 га следует давать около 37,5 кг азота в виде удобрений. Для получения урожая в 30 ц/га нужно на 1 га пашни иметь около 112 кг азота. Неполнота использования минеральных азотных удобрений растениями зависит от ряда причин. Эти причины для разных форм азота различны. Аммонийный азот из удобрений частично фиксируется необменноглинистыми минералами почвы. Запас прочно связанного аммонийного азота в почве довольно велик. Его содержание в пахотном слое различных почв колеблется от 134 до 344 кг/га. В наибольшей степени аммоний фиксируется илистой фракцией почвы. Доступность связанного аммонийного азота растениям крайне низка. Она примерно а пять раз ниже усвояемости обменно-поглощенных почвами ионов аммония. Нитратный азот даже при оптимальном воздушно-водном режиме почв частично теряется в результате процесса денитрификации. Это не удивительно, так как в почве, особенно на поверхности корней и в зоне корневой системы растений, содержится много денитрифицирующих бактерий из рода Pseudonomas. Количество теряемого азота, вследствие процесса денитрификации, зависит от доз вносимого нитратного азота, типа почвы и других условий. В некоторых случаях эти потери достигают 10-35% внесенного азота. Частично потери азотных минеральных соединений обусловливаются вымыванием из пахотного слоя почвы. Особенно это присуще увлажненным районам с почвами легкого механического состава.

По примерным подсчетам Коляра и Гринланда, сельскохозяйственная продукция на Земле выносит ежегодно около 100-110 млн.т азота. Химическая промышленность мира вырабатывала в 1963/1964 г. Лишь 14,5 млн.т азота в виде удобрений. Имеющийся дефицит в значительной мере компенсируется биологическим путем. Отсюда следует вывод об огромном значении биологического азота, т.е. азота, поставляемого микроорганизмами.

Д.Н.Прянишников, основатель советской агрохимии, в своем классическом труде «Азот в жизни растений и земледелии СССР» (1945) писал, что как бы ни было высоко производство минеральных удобрений, нечего и думать азотный вопрос решать только с помощью химической промышленности. В значительной степени он должен быть решен при помощи азотособирателей, т.е. биологическим путем. Это заключение справедливо и на сегодняшний день для под뾯вляющего большинства государств земного шара.

В ряде районов черноземной зоны вполне удовлетворительные урожаи получаются без минеральных удобрений. Эти почвы используются для земледелия более 300 лет и, по расчетам, за это время они должны были бы потерять весь находящийся в них азот. Тем не менее они остаются довольно богатыми азотом и дают, как уже указывалось, удовлетворительные урожаи. В этом заслуга азотфиксаторов. Как известно, существуют две группы микроорганизмов, фиксирующих атмосферный азот. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, обычно образуя «клубеньки» на их корнях. Другая группа живет независимо от растений в почве. Потенциальные возможности симбиотических и свободноживущих азотфиксаторов неравноценны. В сохранении плодородия почв, используемых в земледелии, несомненна роль бобовых растений. На плодородных почвах при хорошей агротехнике бобовые растения позволяют довести урожайность зерновых до высокого уровня. Так, в опытах С.К.Чаянова на Воронежской опытной станции в четырехпольном севообороте без бобовых растений и удобрений озимая пшеница давала около 20 ц/га. При наличии однолетнего клевера урожай повышался до 25 ц/га, а при двухлетнем использовании клевера – до 28 ц/га. Подобные урожаи устойчиво держались на протяжении 17 лет опыта. В силу вышесказанного не удивительно, что в странах с высоко развитым земледелием обычно до 20-25% окультуренной площади занято бобовыми растениями. Это служит одновременно и для получения ценного корма, и для обогащения почвы азотом.

Способность к азотоусвоению свойственна и многим видам растений, не относящихся к бобовым. Подобные симбиотические фиксаторы азота представлены преимущественно деревянистыми и кустарниковыми растениями. Поэтому роль их более важна для лесоводства, чем для полеводства.

В почве наблюдается довольно большое разнообразие свободноживущих фиксаторов азота. Это например, Clostridium pasteurianum (анаэробная спорообразующая бактерия), Azotobacter (аэробная неспороносная бактерия). Кроме этих организмов были описаны и другие свободноживущие азотфиксаторы. Некоторые количества связанного азота в почвах могут, конечно, дать микроскопические синезеленые водоросли, которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами, живущими за счет углекислоты воздуха. Однако едва ли поступление азота в почву от их деятельности в условиях суходольного земледелия превышает несколько килограммов на 1 га в год. Слабая эффективность в природных условиях свободноживущих азотофиксирующих микроорганизмов подтверждается многолетней практикой земледелия. Так, в Западной Европе до введения в севооборот бобовых растений средние урожаи зерновых были равны 7 ц/га. На Ротамстедской опытной станции в Англии с 1843 по 1925 г. на оподзоленной кислой суглинистой почве без внесения удобрений бессменно высевалась пшеница. Средний урожай ее составлял 8,8 ц/га. Совершенно тождественный результат получен в опыте с бессменной культурой ржи в МСХА (Москва), заложенном на дерново-подзолистой почве. Без использования удобрений здесь урожаи ржи равны 7 ц/га. При таких условиях могут работать только свободноживущие азотфиксаторы. Они стабилизируют урожай, но уровень его явно неудовлетворителен. Из этого следует вывод, что сапрофитные азотфиксаторы играют в почве, несомненно, положительную роль, но получения высоких урожаев обеспечить не могут. Совершенно очевидно, что полноценное использование в сельском хозяйстве как симбиотических, так и свободноживущих азотфиксаторов возможно лишь при всестороннем познании факторов, определяющих усвоение молекулярного азота, и утановление путей интенсификации этого процесса. Это поможет решить ряд практических вопросов, связанных с проблемой использования в сельском хозяйстве микробиологических препаратов, имеющих своей целью усиление процесса азотонакопления.