Биогеохимический цикл азота¶

Estimated time to read: 23 minutes

Характеристика азота как химического элемента и его соединений¶

Азот — самый широко распространённый в атмосфере (78 %) и редкий в земной коре (0,002 %) жизненно необходимый химический элемент. В природе в основном представлен, как и кислород, наиболее устойчивой двухатомной газовой молекулой N₂, которая гораздо устойчивее молекулы кислорода и не реагирует с ней.

У азота большое число валентностей (степеней окисления), и он может фигурировать как в качестве донора электронов (восстановителя), так и в качестве их акцептора (окислителя).

Наиболее распространёнными природными молекулами N, дающими огромное число соединений, являются:

• аммонийный азот NH₄ — продукт разложения органически связанного азота, наиболее доступный источник питательных веществ для наземных и водных растений;
• аммиак NH₃ — водорастворимый газ, образуется из \(\ce{NH4+}\) в H₂O при высоком pH. Аммиак в атмосфере играет важную роль, нейтрализуя двуокись серы. В результате взаимодействия аммиака с двуокисью серы уменьшается концентрация кислотообразующих веществ в атмосфере и, следовательно, уменьшается кислотность осадков, а также образуется сернокислый аммоний, который вымывается из атмосферы осадками и служит удобрением для растительности наземных экосистем.
• нитрат \(\ce{NO3–}\) — легкорастворимый продукт окисления (NH₄ → NO₂ → NO₃), легкодоступный источник питания растений;
• нитрит \(\ce{NO2–}\) — промежуточный легкорастворимый продукт окисления \(\ce{NH4–}\).

По современным данным основная масса азота на Земле (84,4 %) сосредоточена в атмосфере. В литосфере находится около 15,2 % общего запаса азота. В гидросфере и наземных экосистемах аккумулировано около 0,4 % и 0,002 % общепланетарного запаса азота, соответственно.

Основным первичным источником азота является атмосферный воздух. Процесс получения искусственного азота — один из самых энергоемких, идет при высоких температуре и давлении.

Основная часть земного атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота N₂. Связь между атомами в этой молекуле очень прочные (\(\ce{N≡N}\)), поэтому фотосинтезирующим растениям и большинству микроорганизмов напрямую молекулярный азот недоступен. Для того, чтобы он стал доступен, молекулярный азот необходимо перевести в связанное состояние. В процессе связывания (фиксации) молекула азота расщепляется, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, тем самым препятствуя обратному объединению в молекулу азота. Связи между атомами азота и другими атомами (не азота) слабые, что позволяет живым организмам, расщепляя данные соединения, использовать азот.

Из-за данного свойства, несмотря на то, что 78 % объема атмосферы составляет азот, для многих физиологических процессов этот элемент является лимитирующим фактором.

Значение азота в биосфере¶

Хотя слово «азот» означает «безжизненный», этот элемент абсолютно необходим всем организмам. Для многих прокариот он ещё чрезвычайно важен постольку, поскольку вовлечён в основные окислительно-восстановительные реакции, используемые для получения энергии.

Азот принадлежит к числу важнейших биофильных элементов. Его содержание во всех компонентах биосферы, в живой биомассе и биокосной материи составляет от 0,1 % в почвах до 2–3 % в растительной и животной массе, то есть по распространённости азот занимает четвёртое место в ряду биофильных элементов после углерода, кислорода и водорода. Биофильность азота (отношение содержания в биомассе растений к кларку литосферы) очень высокая, порядка n × 10⁴. Такими же величинами оценивается и талассофильность азота (отношение содержания в морской воде к кларку литосферы). В связи с высокой биофильностью его биогеохимический цикл принадлежит к числу основных в биосфере. Азотные соединения являются жизненно необходимыми. Аминокислоты, из которых состоят белки, — только один из примеров таких соединений и в их составе азот входит в растительные и животные ткани, ферменты и многие гормоны.

Формирование и развитие биогеохимического цикла азота¶

Земная атмосфера состоит в основном из газообразных соединений азота.

Азот является одним из элементов, отделившихся в газовой фазе на ранних этапах развития Земли в результате ударно-взрывных процессов на поверхности. Развитие атмосферы ранней Земли происходило за счет дегазации верхней мантии. Среди поступавших из мантии в атмосферу газов были азот и аммиак. На протяжении геологической истории Земли молекулярный азот и другие его газообразные соединения поступали из недр в атмосферу в составе вулканических газов и с водами термальных источников.

Согласно исследованиям в ходе эволюции атмосферы масса азота в ней постоянно увеличивалась. Наиболее интенсивно накопление азота в атмосфере происходило в период активной дегазации мантии (от 4,25 до 2 млрд лет назад). Из модельных результатов следует, что в интервале времени от 2 млрд до 500 млн лет назад доля азота в атмосфере изменялась слабо. Незначительное (не более 4 %) увеличение его массы в атмосфере за этот период сопровождалось ростом в ней концентрации кислорода. Для периода 500–400 млн лет назад характерно значительное увеличение концентрации кислорода в атмосфере за счет фотосинтетической активности растений, которые активно развивались на материках. Этот процесс привел к резкому уменьшению доли азота в атмосфере. В последующий период (от 400 млн лет назад до современной эпохи) масса азота в атмосфере увеличилась незначительно (на доли процента) при почти трехкратном росте в ней массы кислорода.

Согласно существующим оценкам, за период геологической истории Земли из мантии в атмосферу было дегазировано около 4,5 × 10⁶ Гт азота. Выделяется азот в атмосферу и при выветривании горных пород. Количество азота, выделившееся при выветривании горных пород за период геологической истории Земли, составляет около 1 % его массы в современной атмосфере. Эти оценки указывают на то, что основным поставщиком азота в атмосферу являются недра Земли. Современное содержание азота в атмосфере оценивается в 3,9 × 10⁶ Гт азота.

По причине своей химической инертности и, как следствие, устойчивости газообразный молекулярный азот постепенно накапливался в атмосфере и стал основным ее компонентом. Первичный круговорот азота был абиогенным и сводился к фотохимической трансформации газообразных соединений азота (кроме его молекулярного состояния) в окисленные растворимые формы с последующим удалением из атмосферы. В начале геологической истории Земли в процесс массообмена азота включились бактерии, которые постепенно изменили всю структуру глобального азотного цикла. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, однако доминирует в этом процессе деятельность микроорганизмов.

Процессы азотного цикла¶

Биогеохимический цикл азота хорошо изучен в различных экосистемах. Основные процессы цикла:

• фиксация — трансформация атмосферного N₂ в органический N;
• минерализация — превращение органического N в неорганический;
• нитрификация — окисление \(\ce{NH4^+}\) в нитрит (NO₂) и нитрат (NO₃);
• денитрификация — трансформация неорганического N в атмосферные N₂O и N₂;
• ассимиляция — превращение неорганического N в органический.

Химия азота и его круговорот в окружающей среде достаточно сложны вследствие наличия большого числа состояний окисленности, что сопровождается большим числом химических, биохимических, геохимических и биогеохимических превращений, в которых азот меняет валентность от –3 (в аммиаке NH₃) до +5 (в \(\ce{NO3^–}\)). Микроорганизмы ускоряют эти процессы и используют высвобождаемую энергию при окислительно-восстановительных реакциях для поддержания жизнедеятельности. В целом эти процессы управляют глобальным биогеохимическим циклом азота.

Различные звенья (процессы) биогеохимического цикла азота в наземных и водных экосистемах осуществляются различными микроорганизмами.

Некоторые из этих процессов проходят с выделением энергии и осуществляются в симбиозе с другими организмами. Рассмотрение биологической трансформации N следует начать с фиксации, поскольку этот процесс единственный, переводящий азот из атмосферы в экосистемы.

Биологическая фиксация азота (1) — преобразование N₂ атмосферы в связанные соединения. Процесс катализируется ферментами и способствует восстановлению молекулярного азота до аммиака (NH₃), аммония (\(\ce{NH4^+}\)) и различных форм органического азота.

В природных условиях биологическая азотфиксация является почти единственным источником азота для всех организмов. Ряд симбиотических и несимбиотических микроорганизмов как растений, так и водорослей имеют способность к фиксации азота. Симбиотическая фиксация более продуктивна и значима.

Имеется два основных ограничения этого процесса:

1. энергетическое, связанное с поглощением энергии для расщепления тройной связи в N₂, N≡N. Свободная энергия для формирования NH₃ из N₂ и H₂ представляет собой отрицательную величину при 25 °С. Поэтому только некоторые организмы с высоко развитыми каталитическими системами способны фиксировать азот.
2. биогеохимическое: азотфиксация протекает в анаэробных условиях как восстановительный процесс, и только анаэробные организмы способны фиксировать азот.

В наземных экосистемах симбиотические бактерии, особенно штаммы рода Rhizobium, играют наиболее важную роль в фиксации азота. Эти бактерии находятся на корнях многих бобовых растений (соя, клевер, горох и другие). Известны также симбиотические диазотрофы (азотфиксирующие микроорганизмы), но до сих пор они менее изучены, чем род Rhizobium.

В пресноводных и морских экосистемах основные азотфиксирующие организмы представлены цианобактериями. В пресноводных экосистемах они ответственны за поступление до 80 % общего фиксированного азота. Цианобактерии широко распространены и играют существенную роль в самых разнообразных условиях.

Ассимиляция аммония (2) — процесс, в котором фиксированный из атмосферы аммоний трансформируется в органическую форму. Он наиболее важен для тех организмов, которые могут непосредственно использовать азот из NH₃/NH₄ формы. Ассимиляция очень выгодна энергетически и позволяет сохранять энергию. Свободный ион аммония не может существовать длительное время в аэробных условиях и легко подвергается нитрификации. В ходе ассимиляции образуются сложные белки, жиры, нуклеиновые кислоты и углеводы, из простых веществ, для дальнейшего использования как «строительный материал» клетки и получении энергии при помощи диссимиляции (распада)

Нитрификация (3) связана с окислением NH₃/NH₄ в нитрит и далее в нитрат, которые дают энергию для жизнедеятельности микроорганизмов. Нитраты являются преобладающей формой азота в аэробных условиях почв и вод. Нитрификация включает две последовательные фазы, обе из которых дают выход энергии. На первом шаге происходит окисление аммония до нитрита и на втором — нитрита до нитрата.

Первый шаг этой реакционной последовательности в основном осуществляется бактериями рода Nitrosomonas, второй — рода Nitrobacter. Оба рода представлены автотрофными микроорганизмами, которые используют углекислый газ в качестве источника углерода и от окисления аммония получают энергию.

Роль гетеротрофных бактерий, использующих скорее органические соединения, чем двуокись углерода в качестве источника углерода, количественно менее значима. Эти бактерии, однако, также могут осуществлять нитрификацию. Некоторые промежуточные продукты были идентифицированы в этих реакциях и среди них такие соединения, как гидроксиламин (NH₂OH), окись (NO) и закись (N₂O) азота. Образование N₂O может создавать определенные экологические проблемы из-за роли этого соединения в процессах глобального изменения климата и обеднения озонового слоя.

В наземных и водных экосистемах нитраты подвергаются ассимиляторной нитратредукции и денитрификации.

Ассимиляторная нитратредукция (4) представляет собой одновременный процесс восстановления нитратов и включения азота в биомассу организмов. Процесс считается доминирующим, когда восстановленные источники азота ограничены, что типично для аэробных условий почв и природных вод. Его можно рассматривать как первичное снабжение азотом различных растений и микроорганизмов. Многие растения имеют возможность использовать обе формы азота, как нитраты, так и аммоний, хотя энергетически использование нитратов гораздо менее выгодно.

Аммонификация (5), представляющая собой еще один источник восстановленного азота для живых организмов, может быть определена как разложение органических азотсодержащих соединений с поглощением высвобождающихся аммония и аммиака. Разложение почвенной или водной органической массы служит типичным примером этого процесса, осуществляемого в основном гетеротрофными бактериями. В процессе аммонификации микроорганизмы получают источник углерода из мертвой растительной или животной биомассы и продуцируют в качестве побочного продукта взаимосвязанную пару NH₃/NH₄. Большая часть этого восстановленного азота поглощается в биологическом цикле, но некоторое количество может улетучиваться, особенно в нейтральных или щелочных условиях.

Денитрификация (6) представляет собой восстановление нитратов до газообразных соединений азота, в основном N₂ и частично N₂O. Это единственный процесс в биогеохимическом цикле азота, который возвращает связанные соединения азота обратно в атмосферу, замыкая таким образом круговорот. В большинстве случаев N2 превалирует среди конечных продуктов. Однако в кислых природных почвах или при закислении наземных и в особенности водных экосистем вследствие кислых дождей образование закиси азота значительно возрастает. Микробы используют нитрат как конечный донор электронов (окислитель) в отсутствие кислорода (O₂), т.е. в анаэробных почвах или водах. В целом процесс денитрификации представляет собой как окисление органических соединений, так и восстановление нитрата. Этот процесс используется для получения энергии семнадцатью родами факультативных анаэробных бактерий, для которых нитрат играет роль окисляющего агента. Промежуточными продуктами реакций денитрификации являются нитриты, окись и закись азота. Отношение N₂:N₂O в продуктах денитрификации имеет экологическую значимость. Можно считать, что N₂ составляет 80–100 % от суммы выделяемых газов или соотношение N₂:N₂O можно оценивать как 16:1 для расчетов глобального баланса азота.

В природных и сельскохозяйственных наземных экосистемах денитрификация является существенным источником как N₂, так и N₂O (до 70–80 %).

Азотный цикл¶

Для понимания особенностей миграции азота в биосфере необходимо значить запасы азота в компонентах биосферы, основные потоки азота в биосфере и компоненты баланса азота в биосфере.

Ювенильный азот (глубинный азот) поступает в атмосферу при извержении вулканов, выбросах фумарол и гейзеров, выделении газов в регионах тектонических разрывов земной коры. В газах лав при вулканических извержениях содержится около 6 % молекулярного азота. В среднем ежегодное поступление ювенильного азота в атмосферу оценивается в 1,0 МтN.

В результате физико-химических процессов, происходящих в атмосфере, из молекулярного азота образуются его соединения, которые с осадками или в результате гравитационного осаждения поступают на поверхность суши и океана (атмосферная фиксация азота). Поток атмосферной фиксации азота существенно зависит от интенсивности гроз и количества осадков. Интенсивность атмосферной фиксации азота оценивается в диапазоне от 10 до 30 МтN/год. В некоторых работах для этого потока приведены оценки от 80–100 МтN/год до 200 МтN/год.

Химически неактивный молекулярный азот атмосферы вовлекается в процесс круговорота некоторыми видами микроорганизмов и растений, которые способны активизировать N₂ и связывают его в химические соединения (биологическая фиксация азота). Микроорганизмы, способные связывать молекулярный азот в азотистые соединения, существуют как в симбиозе с растениями, так и отдельно. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии ежегодно связывают от 3 до 10 гN/м², бактерии, существующие в симбиозе с растениями, могут накапливать от 15 до 60 гN/м². Ежегодное накопление азота синезелеными водорослями на орошаемых рисовых полях доходит до 20 гN/м². В целом интенсивность биологической азотфиксации в естественных наземных экосистемах оценивается от 30–40 до 200 МтN/год.

Существенное значение в круговороте азота имеет поглощение растениями азота из почвы через корневую систему. Этот поток оценивается в 1,2–3,5 ГтN/год. Скорость усвоения азота корнями растений зависит от температурного режима почвы: при температурах ниже 5–6°С поглощение азота корнями растений резко уменьшается. Растительная органика опада пополняет надпочвенный слой органических остатков — надпочвенный слой детрита. В результате этого процесса азот растений возвращается в почву и включается в микробиологические процессы. Ежегодно с опадом во влажнотропических лесах в почву возвращается 17–25 гN/м², в субтропических лесах — 12–23гN/м², лесах умеренного пояса — 3–8 гN/м², в степях — 4–9 гN/м²,в пустынях — 2–4 гN/м², в тундре — 1–2 гN/м².

Запасы нитратного азота в почве уменьшаются из-за вызываемого определенными бактериями процесса денитрификации. В результате денитрификации нитраты восстанавливаются до газообразного молекулярного азота, выделяющегося в атмосферу. В качестве промежуточных продуктов в процессе денитрификации образуются окислы азота NO и NO₂, которые также поступают в атмосферу. Интенсивность денитрификации зависит от температуры, влажности, кислотности почвы, загрязнения почвы. Годовая продукция азота в результате процесса денитрификации на суше оценивается от 13–20 до 350–400 МтN/год.

В наземной части цикла азот поступает в осадочные породы в результате, например, образования селитры и выщелачивания. Этот поток оценивается в 0,2 МтN/год. В результате процесса торфообразования около 20 МтN/год выводится из биологического круговорота. В связи с пожарами в естественных экосистемах в атмосферу поступает от 10 до 200 Мт азота ежегодно.

Некоторая часть азота поступает с материков в океан с речным и подземным стоком. Интенсивность этого потока оценивается в 24–80 МтN/год. Ежегодно с речным стоком в океан поступает 9–16 Мт неорганического азота, 9–41 Мт азота в составе растворенного органического вещества и 6–55 Мт азота со взвешенной органикой.

Пополнение запасов азота в океане происходит за счет атмосферной фиксации (30–82 МтN/год), стока воды с суши (24–80 МтN/год). Ежегодная биологическая фиксация атмосферного азота в водной среде оценивается от 10–20 до 100–200 МтN. В океане основная часть детрита (более 90 %) разлагается в его поверхностных слоях. Меньшая часть детрита переходит в глубинные слои океана в процессе гравитационного оседания. В глубинных слоях океана детрит подвергается разложению и незначительное его количество уходит в донные осадки, то есть выводится из биологического круговорота. Ежегодно в океанические осадочные породы в составе органического вещества поступает от 1 до 16 Мт азота. Образовавшиеся в глубинных слоях неорганические соединения азота поднимаются в результате турбулентной диффузии и вертикальной адвекции в верхние слои океана. С процессом денитрификации в океане связана значительная эмиссия азота в атмосферу, оцениваемая в диапазоне от 25 до 454 МтN/год. Незначительная часть океанического азота (до 1 МтN/год) попадает на поверхность суши с выловом рыбы.

Антропогенное влияние на цикл и его последствия¶

Антропогенные воздействия оказывают значительное влияние на современный глобальный цикл азота. Существенные изменения в азотный цикл вносит производство и применение минеральных азотных удобрений, за счет которых ежегодно в наземные экосистемы поступает около 90 Мт азота. Биотой используется не более 50 % внесенного в почву минерального азота.

Незначительное его количество (2–5 %) аккумулируется в почвах. Значительная доля внесенного в почву минерального азота улетучивается в виде газообразных соединений, образующихся при трансформации азота удобрений (до 25 %), и вымывается в подземные воды и открытые водоемы (до 20 %), способствуя усилению парникового эффекта и ухудшению биохимического состояния водной среды. Поступление азота в атмосферу в результате сжигания минерального топлива и выбросов промышленных предприятий и транспорта составляет 40–60 МтN/год.

Ландшафтно-биогеохимический баланс

Азот — один из биофильных элементов, глобальный биогеохимический цикл которых в природных условиях практически полностью замкнут. Это значит, что в пределах определенного временного интервала приходные статьи биогеохимического цикла, связанные с фиксацией молекулярного азота, были уравновешены расходными статьями, прежде всего денитрификацией. Биогеохимический цикл азота па региональном и локальном уровнях был практически замкнут. Однако в современных условиях цикл азота является более сложным. Рассматривать эти изменения можно на различных уровнях организации биосферы — от локального до глобального. Если под локальным уровнем понимать экосистему, а под региональным водосбор той или иной реки (средней или малой), то описание биогеохимического цикла азота может быть выполнено в виде сопоставления трех блоков его основных звеньев.

Очевидно, что процессы внутрисистемного перераспределения (блок С) не влияют на общую массу азота, а только изменяют ее величину в различных звеньях биогеохимического цикла. В природных системах, где отсутствуют звенья, связанные с поступлением удобрений и ввозом продукции (блок А) и вывозом продукции (блок В), сумма приходных статей биогеохимического цикла и сумма расходных статей уравновешены, т.е. количественно блок А равен блоку В.

В идеале так должно быть и в антропогенно-модифицированных системах типа рассматриваемого условного водосбора и тогда биогеохимический цикл азота был бы замкнут. Однако этого не происходит, так как в промышленно развитых странах с высоким применением азотных минеральных удобрений приходные составляющие биогеохимического цикла существенно превышают расходные, тогда как в развивающихся странах с низким уровнем применения удобрений расход преобладает над приходом.

Роль азота атмосферных выпадений может быть выражена и в промышленных странах, и в развивающихся вследствие регионального трансграничного загрязнения воздуха. Это сопровождается переносом соединений азота в воздушных потоках далеко от источников его эмиссии.

Схема биогеохимических потоков азота позволяет рассчитать величины ландшафтно-биогеохимического баланса этого элемента в пределах различных водосборных бассейнов. Сопоставление приходных и расходных статей такого баланса позволяет выявить тенденции к обогащению или обеднению азотом рассматриваемых территорий, а оценка трансформации соединений азота в процессе его внутриландшафтного перераспределения позволяет выявить среды, в которых азот аккумулируется (при положительных величинах баланса) или обедняется (при отрицательных величинах баланса). Использование бассейнового подхода, особенно в случае малых и средних рек, позволяет рассчитать баланс азота в пределах территории, ограниченной природными однонаправленными геохимическими потоками вещества.

Антропогенное воздействие на вымывание азота в грунтовые воды

Азот может поступать в почву с атмосферными осадками, минеральными и органическими удобрениями, со сточными водами при их размещении на полях аэрации, при биологической фиксации, с семенами и растительными остатками. Обычно более 90 % азота в почве находится в органической форме: либо в виде растительной и животной биомассы, либо в виде гумуса, образующегося при разложении растительных и животных остатков в почве. Содержание нитратов в основном низкое, 3–10 мг N–NO₃ на 100 г почвы, поскольку они активно поглощаются корнями растений и микроорганизмами, включаясь в процессы синтеза; вымываются водой, просачивающейся сквозь почву, и подвергаются воздействию микроорганизмов-денитрификаторов и улетучиваются в виде N₂ и N₂O. Однако первый процесс и последний редко удаляют все нитраты, поступающие в почву, особенно при положительных величинах масс-баланса азота. Соответственно нитраты вымываются в грунтовые воды, где их концентрация существенно возрастает.

Источники азота в грунтовых водах могут быть подразделены на следующие виды:

• природные и природно-антропогенные источники:
• геологические залежи азотных солей, растворяющихся под воздействием просачивающихся оросительных вод и поступающих в грунтовые воды;
• вырубка лесов, приводящая к интенсивной минерализации накопленного органического вещества в почве и на её поверхности (лесная подстилка).
• коммунальные, животноводческие и промышленные отходы:
• размещение осадков сточных вод на полях, в лесных парках, лесах, газонах и так далее;
• использование полей аэрации для очистки сточных вод;
• использование животноводческих отходов (твердых и жидких) для удобрения;
• стоки со свалок;
• атмосферные осадки с высоким содержанием соединений азота.
• неорошаемое земледелие:
• применение избыточно высоких доз азотных удобрений;
• применение низких и средних доз удобрений при низкой культуре земледелия, когда потребление азота растениями лимитируется другими агротехническими приемами (особенно в развивающихся странах);
• стимулирование минерализации почвенной органической материи под воздействием вносимого минерального азота;
• выпадение большого количества осадков в течение вегетации растений;
• орошаемое земледелие:
• увеличение вымывания азота при избыточном применении удобрений и неэффективной практике ирригации (избыточные дозы орошения);
• вымывание азота из почвенной толщи совместно с другими солями в течение зимних промывок.

К числу основных источников относят животноводческие стоки, применение удобрений (особенно при орошении) и поступление нитратов с атмосферными осадками. Минеральный азот, поступающий в почву в виде нитратов и аммония, вызывает усиление азотминерализующей способности самой почвы, связанное со стимулирующим действием этого азота на развитие микроорганизмов, разлагающих почвенное азотсодержащее органическое вещество.

Большинство сельскохозяйственных производителей применяют минеральные удобрения, включая, в первую очередь, азотные удобрения для увеличения продуктивности выращиваемой продукции. Уровень применения минеральных удобрений отличается в зависимости от страны и региона, достигая 200–500 кг/га N в интенсивных сельскохозяйственных системах Западной Европы, Японии, Южной Кореи, в хлопководческих регионах США, Египта, Центральной Азии. Высокие дозы удобрений (до 150 кг/га N) применяют при выращивании риса и ряда овощных культур.

Во многих регионах мира, включая регионы с высоким количеством осадков или в условиях орошения, применяют также высокие дозы удобрений (100 кг/га), что сопровождается вымыванием нитратов в грунтовые воды.

Существует ряд природных и антропогенных факторов, усиливающих воздействие тех или иных источников поступления азота в грунтовые воды: гидрогеологические характеристики территории, механический состав почв и подстилающих пород. Очевидно, что тяжелые глинистые и суглинистые почвы и породы будут в существенной степени ограничивать просачивание воды и растворенных в ней нитратов до уровня подземных вод. Наоборот, при легком песчаном и супесчаном составе промывание нитратов происходит практически полностью.

Физико-химические свойства почв также влияют на скорость и величину промывания нитратов. Так, при низких величинах окислительно-восстановительного потенциала в почве создаются условия, благоприятные для процесса денитрификации. Этому же способствует наличие большого количества органического вещества, играющего роль энергетического субстрата для микроорганизмов-денитрификаторов. При низких величинах pH денитрификация значительно замедляется, и это также влияет на аккумуляцию нитратов в нижележащих водных слоях.

Влияние низких величин pH, однако, двояко. Известно, что в большинстве почв не происходит сорбции нитратов в состав почвенно-поглощающего комплекса из-за отсутствия соответствующих контранионов на обменных позициях. В кислых почвах (pH < 3,5) возможен такой обмен, поскольку анионы \(\ce{SO4^2–}\) появляются в достаточном количестве, и они могут обмениваться на NO3 анионы. Такое физико-химическое поглощение нитратов отмечено на кислых почвах Пермской области, в Австралии и некоторых тропических и субтропических регионах.

Анализ ландшафтно-биогеохимического баланса азота в различных регионах мира показал, что во многих случаях превышение приходных составляющих цикла азота над расходными достигает 20–75 кг/(га × год). При условиях, благоприятствующих вымыванию азота из почвенной толщи, этот избыточный азот в значительной степени оказывается в грунтовых водах, увеличивая содержание в них нитратов.

Среднее содержание нитратов в геологических грунтовых водах, не подверженных современному антропогенному загрязнению, составляет от 2 до 10 мг/л. Значительно более высокими величинами характеризуются грунтовые воды верхних водоносных горизонтов (2–20 м), подвергающиеся постоянному загрязнению азотом из различных источников.

Многолетний мониторинг содержания нитратов в грунтовых водах, служащих основным источником водоснабжения для жителей сельских населенных пунктов и дачных поселков на территории Московской области, показал, что в более 30 % всех проб содержание нитратов превышало 45 мг/л, т.е. установленную величину ПДК. Более детальные исследования, выполненные в пределах водосборов малых рек центра России, позволили установить наличие достоверной корреляционной связи между содержанием нитратов в грунтовых питьевых водах, механическим составом почв и дозами применяемых минеральных удобрений.

Сравнивая среднее содержание нитратов в различных регионах США и России, применение минеральных азотных удобрений в которых характеризовалось в конце 80-х годов примерно одинаковыми величинами (около 70 кг/га N), отмечено, что среди обследованных регионов средние величины нитратов в грунтовых водах в России в основном были выше. Это объясняется более низким поглощением азота из удобрений при значительно более низких урожаях всех выращиваемых сельскохозяйственных культур, т.е. значительно более высокая доля азота удобрений на российских полях не усваивалась растениями и поступала в грунтовые воды, вызывая их загрязнение. В целом такая ситуация связана с низкой культурой земледелия в России, что приводило к 5–10-кратной разнице в урожаях выращиваемых культур при внесении одних и тех же доз удобрений.

Хозяйственная деятельность человека влияет на биогеохимический цикл азота следующим способом:

• целенаправленно — через связывание атмосферного азота на химических предприятиях по производству удобрений;
• непреднамеренно — сжигая то или иное ископаемое топливо в присутствии воздуха (смеси кислорода и азота). Суть этого процесса в том, что при высокой температуре горения молекула азота N₂ распадается на два атома, вступающих в реакцию с молекулярным кислородом O₂. Получается оксид азота NO и радикал кислорода O, который, будучи очень активным, вступает во взаимодействие с новой молекулой N₂, давая NO и N. Кроме того, в некоторых видах топлива присутствует азот, что дает в продуктах горения как NO, так и диоксид азота NO₂ — бурый газ, под действием света разлагающийся на атомарный кислород О и оксид азота NO.

Литература¶