Нитрификация

Нитрификация представляет собой двухступенчатое преобразование аммония (NH4+) в нитрат (NO3-) почвенными бактериями. В большинстве почв это довольно быстрый процесс, обычно происходящий в течение нескольких дней или недель после внесения источника аммония.

Аммоний в почве поступает из различных источников, включая отходы животноводства, компосты, разлагающиеся остатки сельскохозяйственных культур, разлагающиеся покровные культуры или удобрения, содержащие мочевину или аммоний. Независимо от источника, почвенные бактерии преобразуют его в нитрат, если условия для этого будут благоприятными.

1️⃣Первый шаг

Аммоний первоначально окисляется до нитрита различными «хемоавтрофными» бактериями. Эти бактерии получают энергию от превращения аммония в нитрит, используя CO2 в качестве источника углерода. Хотя существует множество почвенных микроорганизмов, окисляющих аммоний, наибольшее внимание уделяется бактериям из рода Nitrosomonas (Нитрозомонас).

2️⃣Второй шаг

Вторым этапом процесса нитрификации является превращение нитрита в нитрат бактериями рода Nitrobacter (Нитробактер).

Эта группа почвенных бактерий получает свою энергию в процессе окисления нитритов. Другие почвенные бактерии также могут участвовать в этих преобразованиях, но их вклад, как правило, менее важен. Нитрит может быть токсичен для растений, поэтому важно, чтобы нитрит полностью превращался в нитрат.

Нитраты, как правило, являются доминирующей формой доступного для растений азота (N) в почвах, и для сохранения его в корневой зоне растущего растения необходимо тщательное управление. Большинство сельскохозяйственных растений приспособлены к использованию нитратов в качестве основного источника азота. Некоторыми заметными исключениями из этого правила являются такие культуры, как рис и черника.

Нитраты, которые не используются для питания растений, подвержены вымыванию, стокам или денитрификации, поэтому важно понимать процесс нитрификации в почве.

Нитрификация: как быстро❓

Существует ряд факторов окружающей среды почвы, взаимодействие которых влияет на скорость превращения аммония в нитрат. Основными факторами являются температура почвы, pH, содержание воды и наличие кислорода. Другие факторы, которые могут повлиять на процесс, включают засоленность почвы, текстуру и источник азота.

Нитрифицирующие почву бактерии обычно более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем многие другие почвенные бактерии. Их скорость роста медленнее, а активность ниже, чем у большинства других распространенных бактерий. По оценкам, общее количество нитрифицирующих бактерий составляет менее 0,01 % от общей популяции почвенных бактерий.

Скорость нитрификации в почве измеряется путем анализа появления нитратов через определенный промежуток времени. Однако одновременно происходит множество сложных реакций с участием азота. Например, в пределах одной полной лопаты могут одновременно происходить нитрификация, денитрификация, испарение аммиака, минерализация и иммобилизация. То, что измеряется после производства и потребления нитратов, интерпретируется как “чистая нитрификация”.

Температура почвы🌡️

Как и почти все биологические реакции, на нитрификацию сильно влияет температура почвы. Сообщается, что оптимальная температура для нитрификации находится в диапазоне от 15,5 °С до 38 ° в зависимости от конкретных условий. В целом, когда температура почвы превышает 24 °С, нитрификация больше не ограничивается.

Низкие температуры почвы замедляют нитрификацию, причем процесс в значительной степени прекращается при температуре почвы ниже 5 °С. Почвы в основных сельскохозяйственных регионах Калифорнии редко опускаются ниже этой предельной температуры, поэтому можно предположить, что некоторое количество нитратов образуется в любое время, когда присутствует источник аммония.

На Среднем Западе США удобрения на основе аммония обычно вносят в холодные почвы осенью и зимой после того, как температура почвы постоянно опустится ниже 10 °С. Предполагается, что в холодные зимние месяцы нитрификация будет незначительной или вообще не будет происходить. Эта практика не рекомендуется для условий Калифорнии, потому что почвы редко бывают достаточно холодными, чтобы в значительной степени препятствовать нитрификации.

Большая часть нитрификации происходит в пределах нескольких сантиметров верхнего слоя почвы. Температура почвы на такой небольшой глубине обычно выше днем и прохладнее ночью, чем на глубине 6 дюймов (15 см). Растительный покров, влажность поверхности почвы и облачность также могут влиять на суточные колебания температуры почвы.

Фермеры, полагающиеся на минерализацию и нитрификацию органических компостов и навоза для обеспечения растений доступными нитратами, могут иногда сталкиваться с временной нехваткой питательных веществ в течение длительных холодных периодов.

Влажность почвы💧

Нитрифицирующие бактерии чувствительны к изменениям содержания влаги в почве, поскольку это влияет на численность и активность бактерий. Это также влияет на равновесие между растворимым и обменным аммонием, на концентрацию солей в воде и на содержание кислорода.

Сразу после дождя или полива, поры почвы могут заполниться водой, и подача кислорода может быть временно ограничена. В этих условиях скорость нитрификации снижается, поскольку для этого процесса необходимо присутствие кислорода. Если почва остается насыщенной более нескольких дней и сохраняются условия с низким содержанием кислорода, любой присутствующий нитрат может подвергаться риску потери из-за денитрификации в виде закиси азота или газообразного диазота (динитрогена). Из-за отсутствия кислорода в затопленных почвах нитрификация не является важной частью цикла азота в этих системах (за исключением насыщенных кислородом микроплощадей, таких как окружающие корни растений).

Подсчитано, что нитрификация становится ограниченной, когда поровое пространство, заполненное водой, превышает 60%. Однако по мере того, как вода стекает и кислород снова попадает в почву, нитрификация быстро возобновляется, поскольку популяция бактерий восстанавливается.

Скорость нитрификации также ограничена нехваткой воды. По мере высыхания почвы в результате испарения или осушения, растворенные соли в почвенном растворе становятся все более концентрированными. В результате солевой стресс увеличивает затраты энергии на поддержание нитрифицирующих бактерий и замедляет их активность. Водные плёнки на поверхности почвы становятся тоньше по мере высыхания почвы, замедляя перемещение растворенных веществ в почве. Сухие почвы также вызывают обезвоживание клеток, что подавляет всю активность микробов.

В засушливых условиях всплеск микробной активности (включая нитрификацию) обычно наблюдается, когда почва повторно увлажняется в результате орошения или дождя после продолжительного засушливого периода. Однако даже в засушливые периоды нитрификация все еще может происходить, хотя и с меньшей скоростью.

Свойства почвы и её обработка🚜

Наибольшее количество нитрифицирующих бактерий встречается у поверхности почвы, хотя меньшее их количество иногда можно найти на глубине многих футов. Число и активность нитрифицирующих бактерий обычно выше в почвах с более высоким содержанием глины и органических веществ. Почвы с высоким содержанием глины обладают большей катионообменной способностью удерживать аммоний, частицы глины обеспечивают большую благоприятную площадь поверхности и большее пространство микропор почвы, что благоприятно для прикрепления и роста бактерий.

Практика обработки почвы влияет на содержание органических веществ в почве, агрегацию почвы и микробную экологию. Общие тенденции указывают на то, что активность нитрификации выше при нулевой и рпониженной обработке почвы по сравнению с традиционными методами обработки почвы. Это может быть вызвано изменениями физических свойств почвы и улучшенными водными отношениями, связанными с сокращением практики обработки почвы.

рH почвы🧪

Нитрификация происходит в широком диапазоне pH в почве, хотя, по оценкам, оптимальный pH составляет от 6,5 до 8.8. Скорость нитрификации ниже в кислых почвах, а добавление известняка для снижения кислотности почвы часто приводит к более быстрой нитрификации. В условиях высокого pH (> 8) активность нитробактерий (Nitrobacter) может быть снижена. Это условие позволяет преобразовать аммоний в нитрит, но не является второй стадией преобразования нитрита в нитрат. Это потенциально может привести к нежелательному накоплению нитритов в почве.

Наличие источника аммония и удобрений🔆

Без аммония, присутствующего в почве, нитрификация невозможна. Аммоний обычно не накапливается до высоких концентраций в течение вегетационного периода, поскольку нитрификация обычно происходит быстро. Однако из-за характера внесения удобрений и склонности аммония оставаться вблизи места внесения могут возникать локализованные высокие концентрации аммония.

Повышенные концентрации аммония - обычное явление после внесения свежих органических материалов или многих азотных удобрений. Были выявлены различия в скорости нитрификации между различными удобрениями и компостами (в зависимости от норм внесения, концентрации аммония, соотношения C:N и т.д.). Но они обычно не важны в полевых условиях.

Очень высокие концентрации аммиака (например, окружающие концентрированную полосу безводного аммиака) могут временно ингибировать (препятствовать) нитрификацию. Это связано с токсичным воздействием газообразного аммиака на почвенные бактерии и повышенным pH, который временно окружает концентрированные полосы аммиака.

Для обычных азотных удобрений источник аммония может влиять на скорость нитрификации. В лаборатории можно измерить различия в скорости нитрификации между различными источниками азотных удобрений. Например, в одном исследовании сообщалось, что скорость нитрификации снижалась в следующем порядке: мочевина> диаммонийфосфат> сульфат аммония> нитрат аммония> моноаммонийфосфат. Эти различия частично объясняются повышением кислотности (например, pH раствора диаммонийфосфата составляет приблизительно 8,0, а моноаммонийфосфат - pH 3,5). В большинстве полевых условий эти различия несущественны для питания растений.

Исследование, проведенное на различных почвах Калифорнии, показало, что показатели нитрификации в целом следовали тенденции: гидроксид аммония (водный аммиак)> сульфат аммония> нитрат аммония, но тенденция не была одинаковой для всех протестированных почв.

Осолоненность✳️

Высокие концентрации соли повышают осмотический потенциал почвенного раствора. По мере увеличения осолоненности скорость нитрификации падает. Повышенные концентрации соли увеличивают энергию, необходимую микроорганизмам и корням растений для поддержания целостности их клеток и перемещения воды через их мембраны.

Негативное влияние осолоненности на нитрификацию, которое может возникнуть после внесения концентрированной полосы удобрений, носит временный характер. Соли удобрений могут ухудшить нитрификацию, особенно если они вносятся узкой полосой.

Нитрификация создает кислотность🧪

Первый этап нитрификации приводит к высвобождению ионов H+, повышающих кислотность почвы. Степень подкисления зависит от способности почвы сопротивляться изменениям (буферная способность) и количества внесенного аммония. Этот естественный процесс подкисления происходит со всеми источниками аммония, будь то навоз, органические источники азота или неорганические азотные удобрения.

Одно исследование, проведенное на крупнозернистой (плохо забуференной) почве, показало значительное снижение pH при внесении аммонийсодержащих удобрений через систему капельного орошения для миндаля. Повторное внесение аммония в небольшой объем почвы сконцентрирует эффект производства кислоты вблизи зоны, где корни могут быть многочисленными.

Потери оксида азота при нитрификации💭

На первом этапе нитрификации небольшая часть аммония может быть преобразована в газообразную закись азота (N2O) во время разложения нитрита. Этот процесс важен, поскольку закись азота является мощным парниковым газом, и прилагаются усилия для уменьшения его выброса. Абсолютное количество удобрений, теряемых в виде закиси азота при нитрификации в аэробных почвах, относительно невелико, но экологически важно.

Ингибиторы нитрификации☑️

Нитраты подвержены потерям при выщелачивании (вымывании) и выбросам газов из-за денитрификации. Бывают случаи, когда желательно поддерживать азот в форме аммония, чтобы минимизировать эти потери. Многие химические вещества были протестированы на избирательное ингибирование нитрификации. Только два ингибитора нитрификации в настоящее время одобрены для использования в Калифорнии; DCD (дициандиамид) и нитрапирин. Экономическая отдача, степень подавления и потенциальные выгоды, связанные с их использованием, сильно различаются.

Понимание процесса нитрификации играет ключевую роль в управлении нитратами в почве. Условия окружающей среды и решения, принятые в сельском хозяйстве, влияют на поведение нитратов в почве. Внимание к температуре почвы, влажности и свойствам почвы поможет поддерживать необходимое количество нитратов. Тщательное обращение с источниками питательных веществ, содержащих аммоний, может помочь достичь желаемого уровня питательных веществ для сельскохозяйственных культур и свести к минимуму потери нитратов.