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.
В1 литре океанической воды в среднем содержится до 13 мг азота, а общие запасы азота в океане составляют 1,4*1011 т. Содержание азота в продуктах органического вещества океана составляет 2,26*109, с учетом антропогенных изменений в фито- и зоомассе. Причем наибольшее содержание органического азота отмечено в поверхностных слоях, затем оно падает до глубины 1000— 1500 м и затем несколько повышается и без заметных изменений прослеживается до дна.
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*1010 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
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*109 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.