Нитрификационная способность почв и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
|
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ)
|
| Выполнила студент агрономического факультета | _______________ (подпись, дата) | Таисия Николаевна Галева |
| Руководитель: профессор, канд. с.-х. наук | _______________ (подпись, дата) | Вячеслав Иванович Макаров |
| Рецензент: профессор, д-р. с.-х. наук | _______________ (подпись, дата) | Александр Михайлович Ленточкин |
Ижевск 2018
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.. 3
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ... 5
1.1 Нитрификационная способность почв и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. 5
1.1.1 Процесс нитрификации. 5
1.1.2 Нитрификационная способность почв. 10
1.2 Влияние нитрификационной способности почв на урожайность сельскохозяйственных культур. 14
1.2.1 Нитрификационная способность почв России. 16
1.2.2 Нитрификационная способность почв Удмуртии. 23
1.3 Методы определения нитрификационной способности почв. 26
|
|
|
1.3.1 Методы определения нитратов в почве. 28
Заключение. 29
2 ЭКСПЕРЕМЕТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.. 30
2.1 Место и условия проведения исследований. 30
2.2. Методика проведения исследований. 33
2.3 Результаты исследований. 36
2.3.1 Нитрификационная способность основных типов почв Удмуртии. 36
2.3.2.2 Нитрификационная способность и другие агрохимические свойства дерново-подзолистых почв различной степени окультуренности. 43
2.3.2.3 Связь нитрификационной способности с урожайностью кукурузы и другими агрохимическими свойствами почв. 46
2. 2 Экономическая и энергетическая оценка выращивания кукурузы на почвах с различным уровнем плодородия. 51
Выводы.. 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 56
ВВЕДЕНИЕ
Азотный фонд почвы является важнейшей характеристикой ее плодородия и отражает, прежде всего, биоклиматические особенности природной зоны. В условиях интенсификации земледелия Нечерноземной зоны страны большое практическое значение имеет изучение процессов трансформации азота в системе растение – удобрение – почва. Азот, наряду с углеродом, водородом и кислородом, принадлежит к группе элементов-органогенов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла, ферментов, фосфатидов, большинства витаминов и других органических азотсодержащих соединений. Уже в этом заложена особая роль азота для земледелия [Прянишников Д.Н., 1945]. Особенно важным в почвенной диагностике остается вопрос о доступности растениям нитратного и аммонийного азота почвы [Кидин В.В., 2006].
|
|
|
Минеральные соединения азота (ионы аммония и нитраты) служат непосредственным источником питания растений этим элементом. Пока не всегда удается найти устойчивой зависимости урожая от их концентрации в почве, вследствие крайней изменчивости последней контроль за содержанием минерального азота имеет важное значение в диагностике азотного питания растений [Исидоров В. А., 2001].
Актуальность данной темы заключается в том, что поскольку нитрификация является звеном в цепи реакций превращения азотсодержащих соединений, ее интенсивность может использоваться как интегральный показатель, характеризующий биологическую активность почв. Высокая активность нитрификации характерна для верхних горизонтов почв, обладающих значительным уровнем плодородия. Однако она снижается в результате ряда процессов, являющихся следствием антропогенной деятельности: уплотнения почв, ухудшения водного режима, разрушения почвенной структуры. Все это является следствием несоблюдения требуемых стандартов систем земледелия, потери гумуса, закисления и засоления почв и ряда других факторов. Отрицательное влияние на процесс нитрификации оказывает загрязнение почв органическими поллютантами и тяжелыми металлами. Однако следует учитывать, что при вовлечении в сельскохозяйственное использование новых земель, находящихся под естественной растительностью, происходит быстрая минерализация гумуса, сопровождающаяся высокой скоростью нитрификации. В данном случае этот показатель не может рассматриваться как показатель благополучия почвенной экосистемы. Таким образом, данный показатель пригоден для оценки более или менее стабильных природных или искусственных экосистем со сложившейся системой взаимодействий с внешними факторами [Титова В. И., 2005].
|
|
|
Цель исследований:является повышение плодородия почв за счет нитрификационной способности и установление связи между нитрификационной активностью и урожайностью кукурузы.
Задачи:
1. Определить нитрификационную способность дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв Удмуртии в динамике
|
|
|
2. Определить агрохимические свойства дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв и рассчитать связь нитрификационной способности почв с этими показателями
3. Определить и рассчитать связь между нитрификационной способностью и урожайностью кукурузы на участках с различной степенью окультуренности почв.
4. Определить экономическую, энергетическую эффективность возделывания кукурузы на почвах с агрохимическими показателями плодородия почв.
Новизна исследуемой темы заключается в том, что нитрификационная активность дерново-подзолистой, серой лесной и дерново-карбонатной почв Удмуртской Республики ранее не была изучена.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Нитрификационная способность почв и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
Процесс нитрификации
Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Такой процесс называется нитрификацией[Емцев В.Т., 1993].
До середины XIX в., до работ Пастера Л. явление образования нитратов объясняли, как химическую реакцию окисления аммиака атмосферным кислородом, а почва в этом процессе является катализатором [Мишустин Е.Н., 1956]. Пастер Л. предположил, что образование нитратов – микробиологический процесс. Доказательства о его гипотезе были получены Шлезингом и Мюнцем в 1879 г. [Звягинцев Д.Г., 2005]. Исследователи пропускали сточные воды через длинную колонку с песком и СаСО3. При фильтрации аммиак постепенно исчезал, а за тем образовывались нитраты. Разогрев колонки или внесение дезинфицирующих средств предотвращало окисление аммиака [Звягинцев Д.Г., 2005].
В 1890-1892 гг. Виноградский С. Н., применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов [Мишустин Е.Н., 1956]. Было предположение, что нитрифицирующие бактерии не развиваются на обычных питательных средах, содержащих органические вещества, это объяснило провалы его предшественников [Емцев В.Т., 1993].
Нитрифицирующие бактерии – хемолитоавтотрофами, которые используют энергию окисления аммиака или азотистой кислоты для образования органических веществ из СО2 (хемосинтез). Поэтому их клетки очень чувствительны к присутствию в среде органических соединений. Нитрификаторы получилось выделить на минеральных питательных средах [Емцев В.Т., 1993].
Виноградский С. Н. выявил, что существуют две группы нитрификаторов: одна осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты (NH+4>NO×2) – первая стадия нитрификации, другая – окисление азотистой кислоты до азотной (NO2>NO3) – вторая стадия нитрификации [Звягинцев Д.Г., 2005].
Обе группы бактерий относят к семейству Nitrobacteriaceae (одноклеточные грамотрицательные бактерии). Их размерыклеток составляют от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 3 мкм в длину. Существуют подвижные и неподвижные формы с полярным,субполярным и перитрихальным жгутикованием [Емцев В.Т., 1993].
Размножение бактерий представлено делением,зa исключением Nitrobacter, для которого характерно почкование. Хорошо развита система внутрицитоплазматических мембран, значительно различающихся по форме и расположению в клетках отдельных видов [Емцев В.Т., 1993].
Бактерии первой стадии нитрификации представлены родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio.
Более подробно изучен Nitrosomonas europaea. Он представляет собой короткие овальные палочки размером 0,8-1×1-2 мкм. В жидкой культуре клетки Nitrosomonas проходят несколько фаз развития. Две главные из них представлены подвижной формой и неподвижными зооглеями. Подвижная форма обладает субполярным жгутиком [Емцев В.Т., 1993].
Вторая стадия нитрификации осуществляются представителями родов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число исследований проведено с Nitrobacter winogradskyi, однако описаны и другие виды (например, Nitrobacter agilis) [Гусев М.В., 1985]. Клетки нитробактepa имеют удлиненную, клиновидную или грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в клювик, размеры клеток – 0,6-0,8×1-2 мкм. При почковании дочерняя клетка обычно подвижна, так как имеет один полярный жгутик. Известно чередование в цикле развития подвижной и неподвижной стадий [Емцев В.Т., 1993].
Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 6,0-8,6, оптимальная реакция среды составляет рН 7,5-8,0. При значениях ниже рН 6 и выше рН 9,2 бактерии не развиваются. Оптимальная температура для развитияь – 25-30 °С. Изучение отношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температуре показало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26 °С или около 40 °С, другие способны довольно быстро расти при 4 °С [Гусев М.В., 1985].
Нитрификаторы – облигатные аэробы. Используя кислород воздуха, они окисляют аммиак до азотистой кислоты (первая стадия нитрификации):
NH4+ + 3/2О2 > NO2- + Н2О + 2H+
а затем азотистую кислоту до азотной (вторая стадия нитрификации):
NO2 + 1/2О2 > NO3
Следовательно, аммиак является продуктом жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий – использует для получения энергии Nitrosomonas, а нитриты, образующиеся в процессе жизнедеятельности последних, служат источником энергии для Nitrobacter [Звягинцев Д.Г., 2005].
Процесс нитрификации протикает на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах и проходит в несколько этапов [Звягинцев Д.Г., 2005]. Первичным продуктом окисления становится гидроксиламин, затем превращающийся в нитроксил (NOH) или пероксонитрит (ONOOH), последний – в нитрит, а нитрит в нитрат [Емцев В.Т., 1993].
Весь процесс нитрификации иллюстрирует следующая схема:
Нитроксил, как и гидроксиламин может димеризоваться в гипонитрит или преобразоваться в закись азота – побочный продукт нитрификации [Никитин Д. И., 1979]. Кроме первой реакции (образования гидроксиламина из аммония), все последующие сопровождаются синтезом макроэргических связей в виде АТФ [Гусев М.В., 1985].
Нитрификаторы осуществляют фиксацию СО2 через восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина). В результате последующих реакций образуются не только углеводы, но и другие жизненно необходимые для бактерий соединения – белки, нуклеиновые кислоты, жиры и т. д [Емцев В.Т.,1993].
На протяжении долго времени нитрифицирующие бактерии относили к облигатным хемолитоавтотрофам. Затем появились данные о способности этих бактерий использовать некоторые органические вещества. Выявлено стимулирующее действие на рост Nitrobacter нитрита, дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутаминовой кислоты и серина [Гусев М.В., 1985]. Со временем, у нитрифицирующих бактерий появилась способностью переходить с автотрофного на гетеротрофное питание. В природе такие бактерии хорошо развиваются в черноземах, навозе, компостах, т. е. в местах, где содержится много органического вещества [Емцев В.Т., 1993].
Указанное противоречие оказывается несущественным, если сравнивать количество легкоокисляемого углерода в почве с теми концентрациями органического вещества, которые нитрификаторы должны выдерживать в культурах [Гусев М.В., 1985].
Органическое вещество в почве представлено гуминовыми веществами, на которые приходится в черноземе 71-91 % общего углерода, а легко усвояемые водорастворимые органические вещества – не более 0,1 % общего углерода. Следовательно, нитрификаторы не встречают в почве больших количеств легкоусвояемого органического вещества [Емцев В.Т., 1993].
Аккумуляция нитратов проходит с разной интенсивностью на разных почвах. Чем плодороднее почва, тем больше соединений азотной кислоты она может усвоить [Мишустин Е.Н., 1956]. Существует метод определения доступного растениям азота в почве по показаниям ее нитрификационной способности. Следовательно, интенсивность нитрификации можно использовать для характеристики агрономических свойств почвы [Емцев В.Т., 1993].
При нитрификации происходит лишь перевод одного питательного для растений вещества – аммиака в другую форму – азотную кислоту. Нитраты, в свое время, обладают некоторыми отрицательными свойствами. В то время как ион аммония усваивается почвой, соли азотной кислоты достаточно легко вымываются из нее [Мишустин Е.Н., 1956]. Кроме того, нитраты восстанавливаются в результате денитрификации до N2, что также снижает азотный запас почвы. Все перечисленное значимо снижает коэффициент использования нитратов растениями [Емцев В.Т., 1993].
В растении соли азотной кислоты перед включением в синтез должны быть восстановлены, на что тратится энергия. Аммоний же используется непосредственно [Звягинцев Д.Г., 2005]. Поэтому ученые поставили вопрос о возможности искусственного снижения интенсивности нитрификации при помощи ингибиторов, снижающих активность нитрификаторов и безвредных для других организмов [Звягинцев Д.Г., 2005]. Ингибиторы нитрификации угнетают только первую стадию нитрификации и не действуют на вторую, а также на гетеротрофную нитрификацию. При применении ингибиторов нитрификации эффективность азотных удобрений повышается с 50 до 80% [Емцев В.Т., 1993].
Гетеротрофная нитрификация.Способны осуществлять нитрификацию и некоторые гетеротрофные микроорганизмы. К ним относятся бактерии из родов Pseudomonas, Arthrobacter, Corynebacteriит, Nocardia и отдельные виды грибов из родов Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium. Установлено, что Arthrobacter sp. в присутствии органических субстратов вызывает окисление аммиака с образованием гидроксиламина, а затем нитрита и нитрата. Некоторые бактерии вызывают нитрификацию таких азотсодержащих органических веществ, как амиды, амины, гидроксамовые кислоты, нитросоединения (алифатические и ароматические), оксимы и др. [Никитин Д.И., 1979]. Однако считают, что гетеротрофная нитрификация не является источником энергии для перечисленных организмов [Емцев В.Т., 1993].
Гетеротрофная нитрификация встречается в естественных условиях (почвах, водоемах и других субстратах). Она может приобретать главным значением, особенно в атипичных условиях (например, при высоком наличие органических С- и N-соединений в щелочной почве и т. п.) [Мишустин Е.Н., 1956].
Гетеротрофная нитрификация не только позволяет протекать окислению азота в таких условиях, но и вызывать образование и накопление токсичных элементов, соединений канцерогенного и мутагенного, а также химиотерапевтического действия [Никитин Д. И., 1979].
В результате того, что некоторые из перечисленных соединений вредны для человека и животных даже в относительно низких концентрациях, основательно изучается возможность их формирования в природе [Емцев В.Т., 1993].
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 551; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!