Антропогенное воздействие на биосферный цикл азота в агропромышленном комплексе

Введение

Без запаха, без цвета и без вкуса, самая важная задача азота – поддерживать жизнь растений и животных. Этот газ имеет решающие значение для выживания на Земле, потому что он поддерживает метаболические процессы, которые передают энергию в клетки. Растения в нижней части пищевой цепи помогают обеспечить азотом животных и людей, которые едят растения [4].

Одну из главных проблем, связанных с азотом, можно описать одной фразой «везде и незаметно». Выбросы азота трудно заметить, скажем ли мы о «диффузном загрязнении» в сельском хозяйстве, сточных водах или выбросах оксидов азота при сжигании ископаемого топлива [3].

Эти особенности вещества делают актуальным изучение биосферного цикла азота, так как в настоящее время под воздействием человеческой деятельности его ход претерпел существенные изменения.

Теории возникновения азота в атмосфере Земли

На данный момент учёные не имеют точных данных о возникновении азота в атмосфере Земли, однако можно выделить основные теории:

1. Исследователи полагают, что азот попадает в атмосферу из-за извержений вулканов, но важно сказать, что на Венере вулканическая активность гораздо выше, чем на Земле, однако содержание азота ниже, чем в атмосфере нашей планеты.
2. Существует предположение, что этот газ занесён на нашу планету метеоритами и астероидами [7].

Круговорот азота в природе

Круговорот азота – биогеохимический цикл, который обусловлен действием живых организмов.

Азот является самым распространённым веществом в нашей атмосфере (80% атмосферы состоит из газа азота). Под воздействием электрических зарядов в атмосфере азот N₂ преобразуется в оксид азота II NO, который при взаимодействии с кислородом может образовывать оксид азота IV NO₂. Эти оксиды могут усваиваться цианобактериями, которые поставляют азот в почву и воду клубеньковыми бактериями. Причем цианобактерии возвращают азот сразу в почву, а клубеньковые бактерии способствуют накоплению азота в растениях. Чаще всего клубеньковые бактерии встречаются на корнях бобовых растений. В свою очередь в растениях азот образует соединения, которые входят в состав белков, которые и потребляют животные. Животные также накапливают азот, но после смерти азот возвращается в почву в виде нитратов и аммиака. При этом нитраты также могут поглощаться растениями или через почву вновь становятся атмосферным азотом.

Антропогенное воздействие на круговорот азота

С развитием земледелия, растениеводства и животноводства круговорот азота существенным образом изменился. На круговорот азота оказывало влияние внесение местных органических удобрений (навоза), но это воздействие было незначительным. С помощью навоза возмещали потери азота при выносе его из почв с урожаем. Потом стали использовать азотные минеральные удобрения, полученные на химических предприятиях. В мире ежегодно производится и вносится в почвы в форме минеральных удобрений 30–35 млн т азота. Азот удобрений сорбируется почвами слабо, он может легко вымываться водами и поступать в водоемы. Во многих странах мира отмечены локальные загрязнения нитратами вод рек, родников, озер, подземных бассейнов.

Круговорот азота в биоценозе может быть изменен в результате загрязнения окружающей среды отходами животноводческих комплексов и птицефабрик. Такие отходы могут стать причиной возникновения кратковременных или длительно сохраняющихся геохимических аномалий с высоким содержанием соединений азота в почвах, ручьях, реках, озерах и других водоемах.

В геохимических аномалиях, характеризующихся увеличением нитратов в почвах и воде, нередко возникают энзоотии и эндемии. Также геохимические аномалии, обусловливающие заболевания животных, могут возникать при уменьшении концентрации азотистых веществ в среде. При снижении концентрации азотистых соединений в почве нарушается азотное питание растений. Урожайность сельскохозяйственных культур и кормовых трав снижается. Ухудшается качество корма, так как в растениях уменьшается содержание протеина. При недостаточном протеиновом питании у животных понижаются упитанность, продуктивность и воспроизводительная способность, изменяются обменные процессы, главным образом белковый обмен.

При сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев образуются газы и аэрозоли азотных соединений, загрязняющих среду. Окисление аммиака и трансформация окислов азота приводят к образованию азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих на сушу и на поверхность водоемов. Под влиянием «кислотных» дождей снижается pH почв и вод. Подкисление среды способствует усиленному выносу из почв кальция, магния и других химических элементов [1].

Управление азотом

Успешное управление азотом способно улучшить урожайность сельскохозяйственных культур, повысить рентабельность и минимизировать потери азота в окружающую среду.

Для определения рационального подхода к управлению азотом в агропромышленном комплексе необходимо иметь базовое понимание реакций азота в почве.

Нитрификация – процесс превращения аммония NH₄⁺ в почве из навоза, растительных остатков или иных удобрений в нитраты NO₃^-. Этот процесс происходит в теплых и влажных условиях и занимает от нескольких дней до недель. Для многих растительных культур образовавшиеся нитраты служат основным источником питания азотом [6].

Обратный вышеописанному процессу – денитрификация. В этом случае нитраты превращаются в газообразные формы и улетучиваются в атмосферу, образуя потери азота, что в последствии выразится не только в потерях ценного питательного вещества для растений, но и в возможном загрязнении воздуха. Этот процесс особенно активен в условиях высокой влажности и недостатка кислорода в почве.

Внесение азотосодержащих удобрение – один из самых понятных способов управления азотом в почвах. В данной статье этот способ рассматривается на примере мочевины – наиболее часто используемом концентрированном и легко усеваемом удобрении в мире. В почве она расщепляется ферментом уреазой на аммоний, который затем преобразуется в нитраты через нитрификацию.

Время применения азота – одна из главных проблем во время принятия решения о применении программы внесения азотных удобрений. В системах интенсивного растениеводства идеальным было бы частое внесение азотных удобрений, но в строго ограниченных дозах в соответствии с потребностями каждой культуры [5].

Риск утечки в воздух в виде газа также существует и для аммиака, содержащегося в удобрениях и навозе, что также негативно повлияет и на сам урожай, и на окружающую среду. Для минимизации потерь необходимо контролировать условия почвы и методы орошения.

Минерализация – процесс преобразования органических азотосодержащих соединений в аммоний и нитраты почвенными микроорганизмами. Скорость минерализации влияет на доступность азота для растений и зависит от условий окружающей среды и свойств органического материала [6].

Утечки азота в атмосферу и воду можно рассматривать как своего рода пробоины в системе, представляющей собой почвенную среду, насыщенную различными формами азота, включая иммобилизованный азот – азот, связанный с органическими веществами. Задача управления азотом заключается в том, чтобы максимально преобразовать поступающий азот в восстанавливаемый азот, минимизируя при этом его утечки из системы.

Заключение

Таким образом, очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде. Было бы целесообразно разработать методы разложения нитратов и нитритов на безопасные химические элементы, чтобы минимизировать негативное воздействие на окружающую среду [2].