можно ли круговорот азота отнести к числу хорошо сбалансированных в атмосфере
Значение круговорота N2 для биосферы
Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть. Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы. Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.
Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.
N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.
Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.
Молекулярный азот — очень стойкое соединение. Для его разрушения необходимо большое количество энергии.
Связывание или фиксация происходит тремя способами:
Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах. N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование. Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.
Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников. В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения. В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.
Этапы круговорота атмосферного азота
Для того чтобы кратко описать и понять этот процесс, нужно представить биосферу, как два соединяющихся сосуда разных размеров. В большом находится вещество из воздуха и воды, в маленьком — элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. В трубке, которая их соединяет — переходящий в разные состояния азот. Так в живой природе происходит его поступление в организм.
Процесс круговорота очень медленный. Он имеет определённую последовательность:
Азот в живой природе
Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.
Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.
Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.
Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества. Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают. Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.
Водный фонд становится бедным на наличие кислорода. Из неё уходят все возможные живые организмы, такие как ракообразные и рыба. Вода заболачиваются, превращаясь со временем в болото, и пересыхает.
Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:
При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.
Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота. Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь. Это серьёзно отражается на здоровье человека.
Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.
Для предотвращения чудовищных последствий этой проблемы необходимо тщательно изучать круговорот азота. Нужно найти способы соблюдения баланса между экосистемой и человеком. Можно заметить, что в современном мире при описании круговорота элементов возникают определённые затруднения, так как не все его процессы до конца изучены.
Влияние человека на круговорот
Деятельность людей имеет непосредственное отношение к этому. Промышленность является самым интенсивным вмешательством в этот процесс. Главным источником распространения лишнего объёма газа в атмосфере считается сельское хозяйство. Выращиваемые культуры поглощают множество питательных веществ, тем самым обедняя её. Картофель, свёкла, зерновые, каждый год потребляют до 200 кг вещества с одного гектара земли.
Если применение органических удобрений недостаточно или полностью отсутствуют бобовые растения, то при исчерпании резервных сил и вымывании полезных элементов из почвы ухудшается ее состояние и плодородие. И наоборот. Чрезмерное накопление удобрений приводит к увеличению количества вещества для наземных растений и уменьшению свободного азота, попадающего в атмосферу.
Можно ли круговорот азота отнести к числу хорошо сбалансированных в атмосфере?(приведите доказательства)
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияют много факторов, вызванных человеком.
Во-первых, это кислотные дожди — явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 — из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:
N2+ O2 = 2NO — Q
Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете.
Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:
2NO + O2 = 2NO2
Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2
образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву.
Вторая группа антропогенных факторов, влияющих на азотистый обмен почв, — это технологические выбросы. Оксиды азота — одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака, серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов, а следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов — переудобрение почв нитритами, нитратами (селитрой) и органическими удобрениями.
И наконец, на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.
Круговорот азота в природе
Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека.
Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.
Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4 + ). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3 – ). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.
Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.
Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15 ) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10 12 ) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.
Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.
Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.
Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.
Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).
Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.
Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».
Круговорот азота
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова
По дисциплине: Экология мегаполисов и промагломераций
Тема: «Круговорот азота»
Выполнила: студентка гр. ИЗ-07-1 /Муравьева А.А./
Проверил: доцент /Исаков А.Е./
1. Круговорот азота
2. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота
Азот – газ, молекула которого состоит из двух атомов. Он содержится в атмосфере – на его долю приходится 4/5 всего воздуха. В чистом виде азот соединяется лишь с очень немногими веществами и большинству живых организмов не нужен. Мы сами, например, с каждым вдохом вбираем немалое количество этого химического элемента, который потом выдыхается обратно. Часть его растворяется в крови, но и там с ним ничего не происходит.
Азотофиксация – процесс связывания свободного азота атмосферы биохимическим путем с помощью бактерий. Способностью к азотофиксации обладают бактерии Rhizobium, проникающие в корни растений (особенно в бобовые), свободноживущие Azotobakter, Clostribium, Azotomonos, а также отдельные роды сине – зеленых водорослей. Эти организмы называют азотофиксаторами. Биохимическая фиксация азота играет большую роль в азотном балансе почв и в земледелии. [2]
1. Круговорот азота
Круговорот важнейшего элемента живого вещества — азота — охватывает все составные части геосферы и является одним из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.
Азот — один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его запасы в атмосфере нашей планеты составляют 4*10 15 т. (78,09% — по объему; 65,6% — по массе).
Азот поступает на земную поверхность вместе с другими газами при извержениях (около 30 т., из них 8 т. на суше, 22 т. за счет подводного вулканизма), при процессах ионизации атмосферы. Соединения азота, синтезированные при ионизации атмосферы, попадают на Землю с осадками в количестве 22 млн. т. азота (над сушей) и 82 т. (над океаном) в год.
Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:
Важнейшим источником поступления азота на земную поверхность является его биологическая фиксация — связывание молекулярного азота атмосферы в азотистые соединения различными микроорганизмами, в том числе клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями.
Некоторые количества связанного азота в почвах могут дать микроскопические сине-зеленые водоросли (Cyauphyccal), которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами. Однако вряд ли поступление азота в почву в результате их деятельности в условиях неорошаемого земледелия превышает несколько килограммов на 1 га в год.
Азот, накопившийся в почве, принимает участие в биологическом круговороте. Ежегодно в биологическом круговороте на суше участвуют 2,3*10 9 т. азота (в пересчете на реальный растительный покров). Он входит в состав живого вещества и является основой растительной и в конечном итоге животной массы. Большая часть азота растений представлена белковыми веществами.
Азот является составной частью таких жизненно важных веществ, как нуклеиновые кислоты, хлорофилл, некоторых ростовых веществ (гетероауксин) и витаминов группы В.
Количество азота, вовлекаемого в продукцию живого вещества, в естественных условиях уравновешивается тем количеством, которое возвращается в почву при его отмирании и разложении.
Биологический азот претерпевает в почвах циклические превращения (из нитратов и нитритов — в аммиак и аминокислоты и обратно), в процессе которых он меняет свои валентности.
В результате процесса микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты (нитрификация) азот накапливается в той форме, которая вполне доступна растениям. Интенсивность процесса нитрификации в значительной мере зависит от климатических и почвенных условий, температурного режима, увлажнения, химических и физических свойств почвы (степень аэрации, кислотность и др.). Количество общего азота, участвующего в биологическом круговороте, в экваториальном и тропическом поясах наиболее велико. Высокий окислительный потенциал среды способствует быстрой нитрификации азотсодержащих веществ. [3]
Нитрификация – процесс микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты – основную форму азотного питания растений. Протекает в почве и воде водоемов. Проходит в две стадии:
1) сначала ион аммония окисляется бактериями в нитрит – ион
2) нитрит – ион окисляется в нитрат – ион
Процессы разложения органических остатков протекают также исключительно интенсивно и, наряду с господством промывного режима почв, приводят к быстрой потере органических и минеральных веществ.
В более высоких широтах темпы разложения органических остатков замедляются, сезонность климата обеспечивает перерывы во времени поступления опада. Это способствует лучшей аккумуляции питательных элементов в почвах, в том числе азота. Ежегодно с опадом во влажнотропических лесах возвращается 260 кг/га азота, в субтропических лесах — 226, лесах умеренного пояса—45—90 (иногда и менее), в степях — 90—161, пустынях — 14—18 кг/га.
На темпы разложения органического вещества почвы и нитрификации оказывают влияние термические и окислительно-восстановительные условия. С повышением температуры темпы нитрификации систематически возрастают, достигая максимума при 34,5
. Этот процесс не приостанавливается и при низких температурах, но идет крайне медленно, так как нитрифицирующие бактерии чувствительны к пониженной температуре.
При температуре ниже 8—10, наряду с некоторыми снижениями поступлений в корни нитратного и аммиачного азота, ослабляется использование азота на образование органических азотных соединений и передвижение азота из корней в надземные органы. При еще более низких температурах (5—6 и ниже) поглощение азота корнями резко снижается.
В результате усиленной деятельности нитрифицирующих бактерий большое количество азота накапливается в парах (в чистом пару количество нитратного азота в 2— 2,5 раза выше, чем в занятом).
Ядохимикаты также оказывают определенное воздействие на деятельность почвенной микрофлоры и, таким образом, влияют на уровень обеспеченности растений азотом. Так, хлорорганические соединения (гексахлоран, гептахлор и др.) в случае применения в высоких дозах могут тормозить процессы нитрификации. Фосфорорганические соединения при внесении в повышенных дозах также способны в определенных условиях несколько депрессировать нитрификационные процессы. Такие препараты, как симазин, атразин и др. и производные хлорфеноксиуксусной и хлорфеноксимасляной кислот, к числу которых принадлежат широко распространенные гербициды, как правило, не оказывают депрессирующего влияния на почвенную микрофлору, хотя в отдельных случаях отмечается заметное угнетение нитрификации и стимулирующее влияние на аммонификацию. В то же время производные хлоруксусных и хлорпропионовых кислот проявляют себя довольно сильными ингибиторами нитрификации.
Круговорот азота, обусловленный деятельностью живых организмов, не полностью замкнут, так как часть азота при участии бактерий превращается в элементарный азот и возвращается в атмосферу (денитрификация).
Бактерии-денитрификаторы постоянно отдают азот в атмосферу: они разлагают нитраты в азот, который улетучивается. Эти бактерии активны главным образом в почвах, которые очень богаты азотом и углеродом (особенно в удобренных навозом). Количество азота, образующегося ежегодно в процессе денитрификации, составляет около 147*10 6 т. Результатом денитрификации являются, например, подземные газовые струи из чистого азота. На биогенный характер струй указывает отсутствие в них аргона, обычного в атмосфере.
Часть азота может выйти из круговорота за счет захоронения органического вещества в закрытых водоемах. Если принять суммарную мощность годового прироста торфообразователей для всей площади болот 11,3*10 14 г, то количество азота, ежегодно захороняющегося на суше (0,8—2,9% от веса торфообразователей), составляет около 20*10 6 т. Наибольшие количества азота могут выйти из круговорота в результате накапливания на поверхности Земли селитры (калийных солей азотной кислоты).
Некоторая часть азота с речным стоком поступает с суши в океан. Количество азота, ежегодно выносимое реками в океан (24 млн. т), почти в 100 раз меньше того количества, которое захватывается живым веществом на суше. Относительно круговорота азота в океане данных очень мало. На содержание элементарного азота в океанической воде влияют биохимические процессы: с одной стороны, процессы минерализации азотсодержащих органических веществ— планктона и других организмов, детрита до освобождения свободного N2, с другой стороны, обратный процесс фиксации элементарного азота, растворенного в воде, сине-зелеными водорослями, азотобактериями.
Газообразный азот, растворенный в океанической воде, частично может образовываться в результате регенерации соединений азота, в свою очередь, являющихся продуктами разрушения планктонных и других организмов. К ним относятся N02, N03 и NH3, образующиеся главным образом при минерализации более сложных органических соединений — белков, аминокислот и др. Процесс минерализации идет при участии разнообразных бактерий. Помимо того, NO2, N03 и NH3 привносятся в океан реками, а также атмосферными осадками (82 млн. т).
Прежде чем азот попадает в донные отложения, часть его захватывается организмами морского фитопланктона, в то же время часть его войдет в цикл питания плотоядных, заканчивающийся рыбами, которые служат кормом птицам и млекопитающим. Эта часть азота попадает с экскрементами птиц и млекопитающих на поверхность материков (гуано).
Азот выводится из биологического круговорота после того, как, достигнув океана, аккумулируется в донных осадках. Если принять массу осадков, отлагающихся ежегодно на океаническом дне, 1,5*10 10 т. в год, а среднее содержание азота в осадочных породах 0,06 весовых процента, то количество азота, ежегодно захороняющееся в океанических осадках, составляет 9 млн. т. [3]
круговорот азот природа
2. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота
Хозяйственная деятельность человека оказывает значительное влияние на круговорот азота. Промышленная фиксация азота считается одной из самых сильных форм вмешательства человека в природный круговорот. Основным источником «добавок» азота к природному круговороту является современное сельское хозяйство, широко использующее азотные удобрения.
Удобрения покрывают недостаток азота, обусловленный разрывом между потребностями сельскохозяйственных культур и возможностью его мобилизации из почвы. Сельскохозяйственные культуры обедняют почву, унося с урожаем огромные количества питательных веществ, в том числе азота около 106 млн. т
Наиболее сильно истощают почву технические культуры (сахарная свекла, масличные), уносящие до 200 кг азота с 1 га в год, далее идут зерновые, картофель.
Действительный расход питательных веществ на создание урожая («биологический вынос») превышает их «хозяйственный вынос», т. е. то количество, которое образуется к моменту уборки урожая. Питательные вещества нужны не только для образования хозяйственной части урожая, но и для формирования корневой системы, стебля, листьев, которые остаются в поле в виде пожнивных остатков.
В конечном урожае содержится меньше питательных веществ, чем было поглощено растениями в течение всей вегетации вследствие их оттока из надземной части в корневую систему, а также потери с отмирающими листьями и побегами в поздние фазы развития. «Биологический вынос» достигает особенно больших размеров при высоких урожаях сельскохозяйственных культур. Значительный вынос питательных веществ наблюдается и на сенокосах. Особенно много азота в сене бобовых культур (клевер — 30 кг и более).
Выкашивание травы, сбор опада на подстилку для скота и т. д., часто практикуемые в лесах умеренного пояса и тропиков, также приводят к истощению почв, правда, в несколько меньшей степени, хотя вынос отдельных элементов имеет тот же порядок величин, что и под сельскохозяйственными угодьями.
Огромные успехи химической промышленности по производству минеральных удобрений уже позволяют не только положить предел истощению почвы, но и активным вмешательством в круговорот веществ в земледелии целенаправленно повышать плодородие почв путем пополнения в них запаса питательных веществ.
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что не менее 50% прироста урожаев получают за счет внесения удобрений, в том числе азотных. Азотные удобрения не только повышают урожай, но и влияют на его качество: в растениях возрастает содержание белка, клейковины, улучшается витаминная ценность продукции, увеличивается содержание витаминов. Важность применения азотных удобрений объясняется тем, что почвенный азот находится в основном в недоступной для растений органической форме, на долю минерального азота приходится лишь около 1% его общего количества. Общее содержание азота в почвах составляет 1,6*10 9 т. Оно зависит от содержания гумуса и изменяется в широких пределах — от 0,5% от веса почвы в мощных черноземах до 0,03% в бедных песчаных почвах.
Данные о содержании азота в почвах дают представление о его резервах, которые постепенно мобилизуются и превращаются в усвояемые формы. Зная запасы азота в метровом слое различных почв, можно рассчитывать, на сколько лет их хватит для получения, например, урожая пшеницы 25 ц с 1 га (по 125 кг азота в год). На черноземах природные запасы азота могут обеспечивать такие урожаи еще в течение приблизительно 200, а на мощных черноземах 275 лет. Другие типы почв могут обеспечивать азотом подобные урожаи и в течение менее продолжительного времени: каштановые—120 лет, серые лесные — 90, сероземы — 60, а подзолистые — всего 45 лет. Наиболее дефицитными в отношении баланса азота являются подзолистые почвы, занимающие около 35% почвенного покрова Западной Европы, 20% — в Северной Америке и более половины почвенного покрова — в нашей стране.
В связи с тем, что в культурных ценозах характер биологического круговорота минеральных веществ отличается от его характера под естественной растительностью, направленное изменение растительного покрова может изменить количество вовлекаемых и круговорот минеральных веществ, в том числе и азота.
Несмотря на важность внесения азотных удобрений, они вносятся неравномерно на всю используемую в сельском хозяйстве площадь.
Достаточно высокие дозы вносимых минеральных удобрений, практически полностью покрывающие вынос азота урожаем из почвы, используются лишь в государствах с малой земельной площадью и большой плотностью населения (Голландия, Япония). В этих странах используются не только минеральные удобрения, но и органические. Это позволяет поддерживать азотный баланс положительным.
В странах с довольно большой земельной площадью (Франция, Канада, США и т. д.) минеральный азот в качестве удобрений применяется в относительно меньших количествах, не обеспечивающих покрытие его выноса с урожаем, так как производство минерального азота относительно дорого и его использование не всегда окупается прибавкой урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому азот в достаточно больших дозах вносят лишь под ценные продовольственные и технические культуры. Вместе с тем в некоторых государствах (Великобритания) внесение и вынос азота сбалансированы. В значительной мере это удается сделать благодаря использованию навоза и культивированию бобовых растений — азотнакопителей.
Растения в первый год непосредственно используют обычно не более 40—50% внесенного минерального азота. В вегетационных опытах коэффициент использования растениями азота удобрений несколько выше и достигает 50—60%, иногда и более, в производственных условиях азот минеральных удобрений используется слабее.
Коэффициенты использования азота различными культурами не превышают 33—53%. Не используемый растениями азот частично теряется либо путем улетучивания газообразных продуктов, образующихся при трансформации азота удобрений, либо в результате вымывания в глубокие слои почвы. Размеры этих потерь зависят от свойств почвы и способов применения азотных удобрений.
Потери путем вымывания наиболее значительны на песчаных и супесчаных почвах, а также на полях, не занятых растительностью. Газообразные потери увеличиваются в соответствии с развитием денитрификации и химических процессов превращения нитратного азота в низшие окислы азота и элементарный азот.
Значительная доля не используемого растениями азота остается в почве (за вычетом потерь она составляет примерно 30—40% от количества минерального азота, внесенного в почву). Часть этого остатка, если азот вносился в аммонийной форме, фиксируется почвенными минералами в необменном состоянии, часть входит в поглощающий комплекс почвы; обменно-поглощенный аммоний является важным источником азотного питания растений. Значительное же количество не использованного растениями и оставшегося в почве азота входит в малый биологический круговорот: поглощается различного рода микроорганизмами, входит в состав гумусовых соединений и т. д. Само собой разумеется, что эти процессы обратимы, и биологически связанный азот удобрений в зависимости от процессов, происходящих в почве, может постепенно минерализоваться.
Сочетание процессов минерализации (переход в минеральную воднорастворимую форму) и мобилизации (переход в органические соединения или в нерастворимые в воде поглощенные минеральные формы) — характерная черта круговорота азота в почве. Отсюда следует, что не использованный растениями в первый год и остающийся в почве азот не может считаться потерянным для питания растений в последующем.
Все изложенное в полной мере относится и к органическим удобрениям, трансформация которых усложняется тем, что промежуточные продукты разложения сложных органических веществ могут непосредственно использоваться микроорганизмами и входить в состав гумусовых соединений. Таким образом, обычно используется растениями меньше половины внесенного азота, остальной претерпевает сложные превращения, связанные преимущественно с жизнедеятельностью микроорганизмов, а также с разными физико-химическими процессами в почве, и только после этого постепенно используется растениями.
При недостаточном применении органических и минеральных азотных удобрений, а также при отсутствии бобовых растений в севообороте происходит постоянная убыль азота из почвы и связанного с ним органического углерода (гумуса), что сопровождается общим ухудшением физических свойств и питательного режима почвы и ее плодородия.
Интенсивное использование азотных удобрений может привести к тому, что количество азота, доступного для наземных растений, может значительно превышать количество свободного азота, возвращаемого в атмосферу в процессе денитрификации.
Промышленная фиксация азота в процессе производства удобрений — пример активного вмешательства человека в природные процессы круговорота вещества. В связи с массовым производством искусственных азотных удобрений может возникнуть дисбаланс между количеством газообразного азота, образующегося из органических соединений азота и возвращающегося в атмосферу, и азота, поступающего из атмосферы в процессе естественной фиксации. Отмечается постепенный переход вещества из техногенных миграционных потоков в природные. Накопление азота в различных объектах природной среды (водах, растениях, почве) может вызвать целый ряд неблагоприятных последствий.
Существует тесная связь между ростом сельскохозяйственной активности (в частности, применением удобрений) и прогрессирующим загрязнением природной среды.
В среднем 36% азота, введенного с удобрениями, появляется в сточных водах. Исследования показали, что изменение содержания азота в водоемах в 99% случаев пропорционально изменениям количества применяемых азотных удобрений.
Стоки с сельскохозяйственных угодий, несущие значительные количества нитратного азота, вызывают в водоемах повышение уровня продукционно-биологических процессов и ускорение развития эвтрофикации. Например, озеро Эри, являющееся классическим примером эвтрофицированного водоема, получает ежегодно с окружающих полей 35 тыс. т. азота, что примерно равно половине городских стоков, составляющих 70 тыс. т. в год.
Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород. Увеличивается численность планктона, появляются виды, характерные для эвтрофных озер, уменьшается прозрачность воды, изменяется кислородный режим, нарастают явления стагнации и происходит ряд других изменений.[3]
Одним из источников загрязнения поверхностного стока и грунтовых вод являются стоки с животноводческих ферм и неправильное внесение навоза: внесение на мерзлую землю, избыточные количества, внесение без заделки в почву.
Специфической причиной загрязнения водоемов азотом является аммиачное загрязнение воздуха, наблюдающееся на расстоянии до 2—3 км от животноводческих ферм и приводящее к интенсивному поглощению аммиака поверхностью близлежащих водоемов.
В целях предотвращения загрязнения грунтовых вод и водоемов используются пруды, расположенные террасовидно на склоне ниже откормочной площадки, кроме того, размещение откормочных площадок производится при строгом учете высоты зеркала грунтовых вод.
Одним из последствий нарушения азотного баланса в результате применения удобрений является увеличение содержания нитратов в пищевых продуктах. Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на удобряемых полях, могут содержать высокие, иногда токсичные концентрации нитратного азота.
При определенных условиях (под действием бактерий, при неправильной транспортировке) нитраты в пищевых продуктах превращаются в нитриты. Попадая в организмы животных и людей, нитриты в комбинации с гемоглобином крови образуют соединения, нарушающие питание крови кислородом (метгемоглобинемия), что может приводить к серьезным заболеваниям. За последние 5 лет европейские специалисты-педиатры указывают на многочисленные случаи метгемоглобинемии у детей, связанные с повышением содержания в пище соединений азота. Это свидетельствует о важности изучения «добавок» азота, поступающих в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности, и в частности при применении азотных удобрений.
Одной из техногенных составляющих поступления соединений азота в природную среду являются окислы азота, поступающие при сжигании газа, жидкого топлива, бензина автотранспортом, реактивного топлива турбовинтовыми самолетами, а также за счет выбросов таких отраслей химической промышленности, как производство азотной кислоты и др. Общее количество азота, поступающего из этих «техногенных» источников, составляет 37 млн. т.
Около 90% мирового количества таких выбросов окислов азота, поступающих на поверхность Земли с атмосферными осадками, сосредоточено в Северном полушарии, причем на долю капиталистических стран Западной Европы и Северной Америки приходится более 76%.
Окись азота сама по себе относительно безвредна, но в нормальных атмосферных условиях она окисляется озоном до двуокиси азота, которая при высокой концентрации в воздухе (более 25 частей на миллион) вызывает тяжелые заболевания.
Окись азота «живет» в атмосфере около 3 дней; такое сокращение срока пребывания окиси азота в атмосфере объясняется тем, что около 10% N02 взаимодействует с водяным паром атмосферы и преобразуется в азотную кислоту, поступающую с осадками. Окислы азота, поступающие в атмосферу, представляют опасность своим участием в фотохимических реакциях и в образовании фотохимического смога.
Изучение круговорота азота с учетом изменений, вызываемых антропогенным фактором, очень важно, так как азот является одним из основных элементов, обеспечивающих существование жизни на Земле. Следует отметить, что при современном уровне знаний при составлении схемы круговорота азота возникают большие трудности, так как некоторые звенья его изучены слабо, а отдельные — практически совсем не изучены. Некоторые оценки разных авторов расходятся в десятки раз, что связано с несовершенством применяемых методик. Поэтому отдельные количественные оценки (содержание в отдельных резервуарах, а также количества, перетекающие из одного резервуара в другой) не могут претендовать на большую точность и являются ориентировочными.[3]
1. Азимов «Мир азота». М:.1971
2. Данилов – Данильян, Арский, Вяхирев, Залиханов «Экологический энциклопедический словарь». М:.1999
3. Рябчиков, Солнцев «Круговорот вещества в природе и его изменение хозяйственной деятельностью человека». М:.1980