Динамика нитратного азота в почве

Азот, как в растительных остатках, так и в почве обнаруживается в легко метаболизируемых формах. Такие азотсодержащие соединения, как аминокислоты, белки, пептиды, аминосахара и нуклеиновые кислоты встречаются в виде компонентов биомассы, негумифицированных переходных компонентов органического вещества, а также в гумифицированных формах (Тейт, 1991).

Азот входит также в состав более устойчивых к биодеградации структур гуминовых кислот (Stevenson, 1982; Орлов, 1990). Считается, что в почве азот подвержен биологической минерализации - превращению органических форм азота в неорганические в процессе окисления углеродных субстратов почвенными микроорганизмами. Главной движущей силой этого процесса является потребность микроорганизмов в энергии (Тейт, 1991).

Обобщая литературные данные (Арзамасова, Рышкова, 1979; Агрохимия, 1989; Осипов, Соколов, 2001), трансформацию азота в процессах компостирования ТБО и минерализации компоста в почве можно представить следующим образом (рис. 3.5).

Известно (Арзамасова, Рышкова, 1979), что при аэробном биотермическом компостировании первым этапом разложения белков является их гидролиз на более простые элементы: полипептиды, пептиды и далее аминокислоты. Аминокислоты и белки в процессе синтеза входят в состав новых веществ - гу-мусоподобных соединений. Одновременно протекает дальнейший процесс разложения аминокислот до №Н₃. Минерализация органических веществ заканчивается нитрификацией, т. е. окислением иона №Н до Ж)₂, а затем - до Ж)₃. Известно также (Осипов, Соколов, 2001), что окисление аммония не является единственным источником нитратов при минерализации органического вещества: гетеротрофные микроорганизмы способны окислять не только аммиак и нитриты, но и органические азотистые соединения. Продукты этих гетеротрофных процессов нитрификации могут быть представлены нитратами, нитритами, гидроксиламином и органическими соединениями.

Интенсивность нитрификации является показателем степени разложения компостов. Некоторые авторы отмечают (СпеГе12 еГ а1., 1996), что увеличение уровня содержания Ж)₃ в течение последней стадии компостирования может быть использовано как показатель зрелости компоста.

Соотношение аммонийной и нитратной форм азота зависит от срока выдержки компоста из ТБО. Как показывают наши исследования (Витковская, 2005), в свежем компосте минеральный азот находится преимущественно в аммонийной форме. В процессе минерализации компоста происходит увеличение содержания нитратного азота.

В порядке увеличения содержания нитратного азота (мг/100 г сухого вещества) внесенные в почву опыта компосты из ТБО располагаются в ряд (табл. 3.1):

свежий (2,9) < < годичный (26,8) < биотопливо (35,4).

Время, необходимое для нитрификации, зависит от численности популяции нитрификаторов (МитоБотопав, МггоЬаеГег), аэрации, рН почвы и ее температуры (Барбер, 1988). Было установлено (Бабаянц, 1958), что нитрификация, едва заметная при температуре 5°С, значительно развивается при 12°С, достигает максимальной интенсивности при 37°С, замедляется при 47°С и полностью прекращается при 55°С. Как уже отмечалось выше, в биобарабане температура массы достигает 55-60°С, что, по-видимому, и является причиной незначительного содержания нитратов в свежем компосте.

Динамика нитратного азота в почве - один из показателей скоростей трансформации азотсодержащих органических соединений.

Процессы синтеза и разложения органического вещества почвы, минерализации и иммобилизации азота тесно взаимосвязаны. Скорость нитрификации в значительной степени зависят от физико-химических и биологических свойств почвы и от метеорологических условий (Мацнева, 1977; Шелковников и др., 1977; Цанава и др., 1979; Цуркан и др., 1989; Третьякова, 1997).

Изменение концентраций N-N(0 в почве опыта изучали в течение 1 года (рис. 3.6). В варианте со свежим компостом из ТБО в течение 51 суток наблюдали дефицит нитратного азота, а на 71-е сутки концентрация N-N(0 была выше, чем в контроле в 1,7 раза. Кривые концентраций N-NO₃ в вариантах 1-3 проходят через максимум (71 сутки) и медленно уменьшаются (рис. 3.6).

Возрастание концентрации N-N(1^ в почве в период от 0 до 71 суток хорошо удовлетворяет экспоненциальной зависимости вида:

N = N0 + N1 е^ш,

где N - концентрация №Ж)₃ (мг/кг) на момент времени 1;; N0 - независящая от времени концентрация нитратного азота; N - начальная концентрация части нитратного азота, зависящей от времени; N0 + N - концентрация нитратного азота в момент Г=0; Г₁ - константа, характеризующая нарастание концентрации нитрат - иона (сутки), связанная с периодом удвоения соотношением: Т = 0,693-Гь Параметры модели представлены в табл. 3.5.

Известно (Тейт, 1991), что данное уравнение и ранее применяли для определения потенциала минерализации азота.

Примечание: г² - коэффициент, показывающий точность оценочной функции

Периоды (Т) увеличения концентрации N-N(1^ в 2 раза (табл. 3.5) практически совпадают с периодами полууменьшения концентрации Н+ в почве (табл. 3.3), что подтверждает наличие зависимости между скоростью процесса нитрификации и реакцией почвы.

Кривые концентраций N-N(1^ в вариантах с биотопливом и компостом из ОСВ проходят через максимум дважды: на 28-е и 71-е сутки (рис. 3.6). Через 28 суток после внесения удобрений концентрация нитратного азота в 11 раза превышала концентрацию в контрольном варианте, затем снижалась.

Через год после внесения удобрений концентрация N-N(1^ в вариантах с компостами из ТБО превышала концентрацию в контроле в 1,7-2,7 раза, в варианте с ОСВ - в 3,9 раза.

При оценке скорости минерализации азотсодержащих соединений следует учитывать тот факт, что при любой экстракции из образца удаляется не только минеральный азот, но и растворимый в данном экстрагенте органический азот (Тейт, 1991).

Известно (Мишустин, 1972; Суков, 1979), что минерализация органического вещества почвы зависит от отношения углерода к азоту, и чем уже это отношение, тем интенсивнее процессы. Отношение в вариантах с компо-стами из ТБО лишь незначительно отличалось от этого показателя в контроле. Во всех вариантах это отношение не превышало 18, что обеспечивало благоприятные условия для развития микроорганизмов (табл. 3.6).