оказывает внесение минеральных удобрений, орошение и осушение полей, поскольку эти агротехнические мероприятия способны вызвать изменение состава почвенных растворов.

Помимо состава почвенного раствора на количественный и качественный состав обменных катионов, значительное влияние оказывает природа почвеннопоглощающего комплекса (ППК). Почвы обладают различной способностью селективно поглощать катионы одного рода в ущерб катионам другого рода. Коэффициент селективности катионного обмена K, количественно характеризующий это явление, может быть определен по формуле

K = MiaiZi / M jaZj j ,

где Mi и Mj — концентрации обменных катионов i-го и j-го видов в ППК; Zi и Zj

— их заряды; ai и aj — активности соответствующих катионов в равновесном растворе.

Значение коэффициента селективности зависит от свойств катионов и химических особенностей компонентов ППК. В общем случае предпочтительнее связываются катионы с более высоким зарядом, а при равных зарядах — катионы с большей атомной массой.

Коэффициент селективности для пары обменных катионов, например Ca2+–Na+, колеблется от 4 до 16. Однако, несмотря на способность почв преимущественно связывать катионы кальция, при орошении почв в них возможно накопление Na+. Это объясняется тем, что воды рек и водохранилищ, используемые для орошения в засушливых районах, содержат заметные количества натриевых солей. Доля Na+ в составе растворенных солей по мере удаления по оросительным каналам от водохранилища постоянно повышается. При попадании в почву эти воды способны сместить установившееся равновесие в составе обменных катионов.

В качестве одной из характеристик природных и сточных вод, применяемых для орошения, принято использовать показатель адсорбируемости натрия (в англоязычном варианте — sodium adsorption ratio — SAR), который позволяет оценить опасность засоления и осолонцевания почв:

SAR =1,41			[Na+]			,
	([Ca	2+	] +[Mg	2+	1/2
					])

где [Na+], [Ca2+], [Mg2+] — концентрации соответствующих катионов в воде (мг-экв/л).

4. Соединения азота в почвах

Основное количество соединений азота сосредоточено в верхнем почвенном горизонте и представлено главным образом органическими соединениями. В среднем на долю азота приходится около 5 % от массы органического вещества почвы, что составляет обычно 0,02–0,4 % от массы пахотного слоя почв. Помимо органических соединений (гумусовые вещества и растительные остатки), азот в почве присутствует в виде неорганических компонентов в почвен-

96

ном воздухе, почвенном растворе и в обменном или фиксированном состоянии входит в состав твердой фазы почв.

Среди органических соединений азота от 20 до 50 % составляют аминокислоты, присутствуют также амиды, аминосахара и гетероциклические соединения. Около 50 % органических соединений азота остаются неидентифицированными. Все органические соединения азота можно разделить на легко разлагаемую и стабильную фракции. На долю первой приходится обычно менее одной трети всего органического азота почвы. В почвенном воздухе соединения азота представлены молекулярным азотом, аммиаком, гемиоксидом, оксидом и диоксидом азота.

При газовом обмене с атмосферным воздухом часть почвенного азота теряется. Внесение азотных удобрений увеличивает количество соединений азота, поступающих в атмосферу, что особенно заметно в первый год. В целом, если принять во внимание данные о возможном переходе 27 % азота из удобрений в газовую фазу и считать доли молекулярного азота и N2О в газовой фазе одинаковыми, при внесении 90 кг азота на гектар почв в атмосферу может выделиться 12 кг N2, 19 кг N2О и 0,8 кг NO2. Главными источниками образования газообразных соединений азота в почве являются протекающие при участии микроорганизмов процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации,

Аммонификация — это процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов. В результате этого процесса в почвенном воздухе появляется газообразный аммиак, а в почвенном растворе — ионы аммония. Ионы аммония вступают во взаимодействие с почвенно-поглощающим комплексом, причем часть ионов

NH+4 в результате такого взаимодействия может потерять подвижность. Способность минералов фиксировать ионы NH+4 определяется их строением, сте-

пенью выветривания и степенью насыщения решетки катионами K+ и меняется от нескольких до 10–12 смоль (р+)/кг.

Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или ее самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).

Неорганические соединения азота присутствуют в почве в виде NH+4 и NО3−. Там, где нет препятствий для нитрификации, бóльшая часть азота пред-

ставлена нитратами, и их содержание в почвенном растворе изменяется от

50 до 150 мг/л.

Окисление аммиака микроорганизмами протекает в два этапа. На первом этапе под воздействием бактерий Nitromonas происходит окисление ионов NH+4 до ионов NО−2. Образующиеся на этой стадии соли азотистой кислоты подвергаются дальнейшему окислению, которое протекает с участием бактерий Nitrobacter. При этом ионы NО−2 переходят в NО3−.

97

В процессе нитрификации в почву поступают ионы водорода:

NH+4 + 2O2 → NО3− + H2O + 2H+.

Поэтому процессы нитрификации сопровождаются закислением почв и при длительном применении аммонийных удобрений необходимо предусматривать компенсирующее известкование почв.

Денитрификация — процесс восстановления, в результате которого происходит образование газообразных соединений азота, выделяющихся в атмосферу. Различают два пути денитрификации: косвенный, или химический, и прямой, или биологический. Косвенный процесс денитрификации связан с протеканием следующих химических реакций:

R–NH2 + HNO3 → R–OH + N2 + H2O;

(NH2)2CO + 2HNO2 → 2N2 + CO2 + 3H2O;

2HNO3 ↔ NO + NO2 + H2O + O2;

3HNO2 ↔ 2NO + HNO3 + H2O,

где R — органический радикал.

Разложение азотной и азотистой кислот следует отнести к основным процессам косвенной денитрификации в кислых почвах при рН < 5,5. Для таких почв отмечалось заметное увеличение содержания диоксида азота в почвенном воздухе.

Различают два типа процессов биохимической денитрификации: 1) специфическую, или диссимиляторную, и 2) неспецифическую денитрификацию. В процессе диссимиляторной денитрификации происходит восстановление нитратов до молекулярного азота в результате переноса электронов с субстрата (донора электронов) на нитраты, при этом высвобождается необходимая для микроорганизмов энергия. Неспецифическая денитрификация не выполняет энергетических функций. В этом процессе нитраты восстанавливаются преимущественно до нитритов. К неспецифической относят и ассимиляторную денитрификацию, при которой нитраты восстанавливаются до аммония. Неспецифическую денитрификацию часто рассматривают как первую стадию процесса денитрификации, при которой нитраты восстанавливаются до нитритов. Дальнейшее восстановление происходит в результате диссимиляторной денитрификации и протекает при участии микроорганизмов из родов Pseudomonos, Achromobacter, Micrococcus,

Bacillus, Thiobacillus. Эти бактерии используют нитраты как источник энергии в отсутствие кислорода. Энергетический эффект этого процесса оценивается в 1760 кДж/моль. Суммарно процесс можно представить уравнением

C6H10O6 + 4 NО3− → 6CO2 + 6H2O + 2N2.

Подавляющее большинство денитрифицирующих бактерий при высокой концентрации кислорода могут перейти на обычное дыхание. Поэтому процесс денитрификации протекает и в аэробных, и в анаэробных условиях. Однако наиболее интенсивно этот процесс протекает в плохо дренированных почвах при величине рН раствора, близкой к нейтральной, при температуре около

98