CC BY
190
УДК 631.416.1
Ю.Б. Лямкина, Л.А. Хворова Моделирование динамики азота в почве (теоретические аспекты) Ju.B. Lyamkina, L.A. Khvorova Modeling Dynamics of Nitrogen in Soil (Theoretical Aspects)
Рассмотрена модель динамики азота в почве. Азот входит в состав всех простых и сложных белков, а также нуклеиновых кислот, играющих исключительно важную роль в обмене веществ в растительных организмах. Моделирование динамики азота в почве имеет большое практическое значение, так как позволит направленно влиять на развитие сельскохозяйственных культур с целью получения максимально возможных урожаев, рационально использовать азотные удобрения.
Ключевые слова органическое вещество, симбиотическая фиксация азота, почвенный компартмент, модель.
The article considers the model of dynamics of nitrogen in soil. Nitrogen is a part of all simple and complex proteins and nuclear acids playing an important role in a metabolism in vegetative organisms. Modeling dynamics of nitrogen in soil is of a great practical importance, as it will allow us to influence on development of agricultural crops in order to achieve high harvests and to use nitric fertilizers rationally.
Key words: organic substance, symbiotic fixing of nitrogen, soil compartment, model.
Почва - сложная система, состоящая из минерального и органического компонентов. Азот является одним из основных элементов, необходимых для питания растений. Он входит в состав всех простых и сложных белков, а также нуклеиновых кислот, играющих исключительно важную роль в обмене веществ в растительных организмах.
Азот в почве представлен множеством форм: неорганический (минеральный), в новообразованном «свежем» веществе (растительных остатках), в «стабильном» органическом веществе [1].
Неорганический азот в почве присутствует обычно в форме NH + и NO-, лишь в некоторых почвах с высокими содержаниями pH могут встречаться небольшие количества NO2, . В почвах со значительным содержанием органического вещества минеральный азот составляет менее 5% всего азота почвы, большая его часть находится в органической форме.
Почва содержит органическое вещество в количествах, варьирующих от 0,1 до 50% и выше. Состав его изменяется в широких пределах, при этом часть органического вещества находится в постоянном круговороте, так как микроорганизмы разрушают его, используя в качестве источника энергии. В каждом слое почвы можно различать два компонента органик: «свежее», новообразованное вещество негумусной природы, которое состоит из отмерших листьев, клубеньков и других прошлогодних
и свежих растительных остатков, и «старое», стабильное органическое вещество или гумус.
В почвах постоянно идет процесс высвобождения азота из органической фракции благодаря микробиологическому распаду органического вещества. Этот процесс называется аммонификацией. В то же время неорганический азот превращается в органический в ходе микробиологического распада углеродосодержащих растительных остатков [2, 3].
Превращения азота в почве представлены процессами иммобилизации и минерализации, скорости которых зависят от условий среды и отношений углерод/азот в органическом веществе. Иммобилизация - процесс превращения под действием микроорганизмов неорганического азота в органические соединения. В процессе минерализации органических соединений образуется ферментно-сбражива-емый субстрат, потребляемый микроорганизмами и идущий на построение их биомассы. В качестве источника энергии при этом используется органический углерод, высвобождающийся в процессе разложения органики [4].
Основные источники пополнения запасов азота в почве - азотфиксирующие свободноживущие и клубеньковые микроорганизмы, а также поступление его с осадками.
Фиксировать атмосферный азот способны лишь немногие виды бактерий. Они находятся в почве свободно или живут в симбиозе с растениями. Особо важное хозяйственное значение имеет симбиоз
между бактериями рода Кк12оЬшт и бобовыми растениями [1, 5, 6], такими, как клевер, соя, бобы или горох. Фиксация бобовыми растениями атмосферного азота обеспечивает высокие урожаи дешевого растительного белка без применения дорогостоящих и экологически небезопасных минеральных азотных удобрений.
Модель динамики азота в почве должна учитывать разложение свежего органического вещества (растительных остатков, корневых волосков и отмерших клубеньков) и гумуса, за счет которых происходит пополнение почвенного азота.
Основные процессы, включенные в блок динамики азота в почве, следующие [1, 7]:
1. Разложение старого органического вещества. Поток азота из старого органического вещества в пул неорганического азота - это единственный поток вещества, который не регулируется микробной биомассой из-за его устойчивости [1, 3]. Разложение старого органического вещества происходит только при температуре почвы выше 0 °С. Ежегодно разлагается и минерализуется небольшая часть азота из стабильного органического вещества. Скорость минерализации с учетом влияния температуры и влажности почвы определяется по следующей формуле:
СМ (0 = ом^г™ смш ЛТ (0)/2т0), (1)
где ОМ(г) - содержание старого органического вещества в г-м почвенном компартменте; - отно-
сительная скорость разложения старого органического вещества; СЫот - отношение С / N в старом органическом веществе; /1(Т! (г)) - фактор влияния температуры на скорость разложения и минерализацию органического вещества; /2(У(г)) - фактор влияния влажности на скорость разложения и минерализацию органического вещества.
2. Разложение свежего органического вещества происходит также при температуре почвы выше
0 °С и приводит либо к минерализации, либо к иммобилизации, либо в зависимости от отношения С / N в субстрате.
Потенциальная скорость разложения свежего органического вещества рассчитывается в модели по формуле:
РУ™ — У™РМ(г)/ (Т (г))/2 (У (г)) , (2)
т т ЕМ
где Кс1ес - относительная скорость разложения свежего органического вещества; ЕМ (г) - содержание свежего органического вещества в г-м почвенном компартменте.
По скорости разложения РУЕМ рассчитывается скорость минерализации, которая пропорциональна количеству азота в минерализуемом субстрате:
руЕМ = РУЕМ N (3)
1 ‘тт Сес ЕМ' '.-V
Азот, высвободившийся в результате минерализации, пополняет фонд неорганического азота почвы [3].
Параллельно процессу минерализации идет процесс формирования тканей микроорганизмов, приводящий к росту бактериальной биомассы за счет иммобилизации азота Njmm (г). Интенсивность иммобилизации пропорциональна скорости разложения органического вещества и определяется через потребность биомассы в азоте:
руЕмс мС
МВ — Сес ЕМ В (4)
Сет DisAs +1 , ( )
где DisAs - отношение диссимиляция/ассимиляция углерода в микробиологических процессах роста.
Если потребность биомассы в азоте меньше, чем потенциальная скорость минерализации азота, то свежее органическое вещество обеспечивает биомассу как энергией (углеродом), так и необходимым азотом. В этом случае количество азота, иммобилизированного в биомассе, будет эквивалентно потребности биомассы. А минерализированный азот, оставшийся после покрытия потребности микробной биомассы, поступает в пул минерального азота. Если содержание азота в свежем органическом веществе низкое, потребность микробной биомассы не может быть покрыта за счет минерализации. В этом случае часть минерального азота почвы будет иммобилизирована в биомассе для покрытия потребности в азоте. Таким образом, интенсивность процессов минерализации и иммобилизации и определяет их конечный результат.
Согласно изложенным выше теоретическим положениям рассчитываются количество оставшегося свежего органического вещества в каждом почвенном компартменте - ЕМ (г ); количество минерализированного азота, которое добавляется в пул минерального азота каждого почвенного компартмента -N£(0; количество азота, иммобилизированного в микробной биомассе в результате разложения свежего органического вещества в каждом почвенном компартменте - Njmm (г) ; количество минерального азота почвы, иммобилизированного в биомассе из г-го почвенного компартмента - Nloss (г).
Влияние внешних факторов - температуры, влажности и кислоты почвы - на процессы разложения и минерализации органического вещества в почве учитывается с помощью мультипликативных коэффициентов редукции /{^(г)), /2(У (г)),
/3 (pH). Совместное влияние внешних факторов описывается произведением сомножителей, представляющих собой функции, которые строятся на основе графических зависимостей [1] и имеют вид:
0 1е 0.229(Т (0-10)
/1(Т (г)) — —: ✓ 0 229(Т (г)—10) .
1 + 0.1(е а229(Т(г)—10) — 1)
/2(W (i)) =
,(W (i )—WHB)2
(WnB-WHBY ~ 1
e — для правой части графика
3(W (i)—WHB)1 (WHB—Wz )2
(6)
— для левой части графика,
где Wz - влажность завядания; WHB - наименьшая влагоемкость почвы; WnB - влажность насыщения.
/з( pH) =
1 (х —й)2 и
1------------- , a < x < b
(a — b)2 i (x — c)2
1------------- , c < x < d
(d — c)2
(7)
3. Поглощение азота из почвы корнями растений. В процессе поглощения различных элементов из почвы корнями могут использоваться два механизма: пассивный транспорт (диффузия) и активный перенос. Диффузия направлена от мест с большей концентрацией вещества к местам, в которых концентрация данного вещества меньше. Описание этого процесса в моделях основывается, как правило, на законе Фика (аналог закона Ома). Активный транспорт происходит с затратой энергии. Данные, приведенные в [4], свидетельствуют
о том, что активное поглощение составляет основную часть поглощения, а скорость активного поглощения на единицу поверхности корней определяется кинетикой Михаэлиса-Ментен [4]:
1
1
NUpt(i) VNx Nmn(i) cm.
или
NUpt (i) =
VN N . (i)Cr
max min v ^ m
VmNx (kPLb + КNmin (i)) + Nmin (i)Cm
(8)
где Ктах - максимальная скорость поглощения нитратов; СгтоЬ - количество мобильного углерода, направляемого в корни; кь к2 - числовые коэффициенты, соответствующие концентрации азота и интенсивности поступления углеводов в корни, при
которых скорость поглощения равна 12 .
Как нетрудно заметить, уравнение (8) связывает поглощение азота с интенсивностью фотосинтеза и содержанием минерального азота в почвенных ком-партментах. В соотношении (8) заложен регулирующий механизм поглощения азота корнями растений, отражающий адаптацию растений к условиям выращивания.
4. Баланс азота в почве. Соотношения, приведенные выше, описывают кинетику реакций, происходящих внутри каждого слоя почвы, а также отражают зависимость скоростей реакций от состояния системы и внешних условий. Помимо этого, подвижные азотсодержащие субстанции перемещаются из одного слоя почвы в другой. Перенос неоргани-
ческого азота через границы слоев почвы происходит при перемещении почвенной влаги, т.е. при инфильтрации, и посредством диффузии. Концентрация азота в потоке воды рассчитывается путем смешения азота, находящегося в данном слое почвы, с азотом, поступающим через его верхнюю границу, с водой и тем его количеством, которое транспонируется через рассматриваемый слой.
Следовательно, переходя к описанию баланса, необходимо учесть как перетоки подвижного азота между слоями, так и трансформации внутри слоя. Нижеприведенные уравнения одинаково применимы ко всем почвенным слоям за исключением первого (верхнего) и последнего (нижнего). Общее количество азота, поступившего в первый почвенный компартмент в момент времени (/ + 1) без учета миграции, вычисляется следующим образом:
Nmm(1, t +1) = Nmin (1, t) + VmOM (1, t +1) +
+N™ (1, t +1) — Nloss (1, t +1) + Nflrst (t +1) + (9)
+Nrain (t +1) — NUpt (1, t +1),
а для нижележащих почвенных слоев:
Nmm (i, t + 1) = Nmm (i, t + 1) + V™ (i, t + 1) +
+N£( i, t + 1) — Nloss(i,t + 1) — (Ш)
—No,„ (i, t +1) — NUpt (i, t +1).
Удобрения с момента их внесения (после выпадения осадков или полива) распределяются в слое, в который их вносят, равномерно и смешиваются с общим количеством минерального азота в данном почвенном компартменте.
Опишем перетоки азота между слоями. Результативный поток азота из i-го почвенного компарт-мента в i + 1 определяется действием двух составляющих [1, 3]. Первая составляющая - это конвективный перенос. Он равен потоку влаги, умноженному на концентрацию азота:
NFlow(i, i +1) = Ncon (i) Flow(i +1),
(11)
Коп (г) — ^тОЖУ (г)н(г)).
Вторая составляющая - диффузия, которая осуществляется из компартмента с большей концентрацией вещества в компартмент с меньшей концентрацией:
DFlow(i,г +1) — — Dc Ncon(г) — Ncon (г +1 , (12)
нь
где НЬ - расстояние между серединами двух соседних почвенных слоев; Dc - эффективный коэффициент диффузии.
Механизм диффузии ионов в почве связан с извилистостью порового пространства. Чтобы переместиться по вертикали, ион мигрирует по извилистым порам. Этот эффект учитывается коэффициентом извилистости т (т > 0). Величина Dc может быть описана с помощью следующего соотношения:
Бс = Г (ОТ-1 + УР1ом>(1)Ву),
(13)
где ву - коэффициент диффузии в свободном пространстве; Dv - коэффициент гидродинамической дисперсии.
Таким образом, суммарный поток вещества П^ (г), мигрирующего из г-го почвенного ком-
партмента, с учетом описанных выше составляющих определяется равенством:
ПN
^ (г) — (NFlow(i) — +1) + (14)
+(DFlow(i) — DFlow(i +1)).
Знак Щ (г) определяет направление потока вещества.
При описании баланса азота в каждом почвенном компартменте необходимо учесть как перетоки подвижных нитратов между слоями (11)-(14), так и трансформации внутри слоя (2)-(8). Уравнения, определяющие баланс азота в почве за шаг модели, можно записать в виде:
N^(1) — N^0-) + Щ (г) — N^(0, (15)
где Nlow(i) - количество азота, потерянного за счет вымывания потоком воды и диффузии из корнеобитаемого слоя.
Объединяя в единую систему все представленные выше соотношения, получим полную систему уравнений для расчета динамики азота в каждом почвенном компартменте.
Информационное обеспечение модели составят экспериментальные данные [8] специально спланированных полевых опытов, проведенных в ГНУ АНИИСХ (АНИИЗиС). Результаты полевых опытов будут использованы для идентификации модели.
Модель динамики азота ориентирована на совместное использование с базовой моделью ЛОЯОТООЬ, разработанной в лаборатории математического моделирования агроэкосистем Агрофизического института РАСХН (Санкт-Петербург), что позволит рассчитывать обеспеченность растений сои как симбиотическим [6], так и почвенным минеральным азотом.
Библиографический список
1. Хворова Л.А. Моделирование влияния азотного питания на продукционный процесс посева люцерны: дис. ... канд. техн. наук. - СПб., 1992.
2. Биологический азот и его роль в земледелии. - М., 1967.
3. Полуэктов Р.А. Динамические модели агроэкосистемы. - Л., 1991.
4. Алиев П.Г. Агроэкологическая модель влагообмена и азотного питания полевых культур: дис. . канд. техн. наук. - Л., 1989.
5. Литвинцев П. А. Уровень азотфиксации и продуктивность сортов сои в зависимости от азотного питания //
Д.Н. Прянишников и развитие агрохимии в Сибири: материалы науч. конф. по агрохимии (Улан-Удэ, 2002). -Новосибирск, 2003.
6. Лямкина Ю.Б. Моделирование продукционного процесса бобовых растений на примере сои // Известия АлтГУ. - 2010. - №1.
7. Полуэктов Р.А., Смоляр Э.И., Терлеев В.В., То паж А.Г. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур. - СПб., 2006.
8. Соя в Алтайском крае: рекомендации РАСХН / Сиб. отд-ние. АНИИСХ. - Барнаул, 2006.
