На то, что клевер и другие бобовые растения обогащают почву азотом, впервые указал Буссенго. Установление связи между фиксацией азота и корневыми клубеньками бобовых явилось заслугой Хелльригеля и Вильфарта (1886-1888). Бобовые могут расти в отсутствие связанного азота лишь в том случае, если их корни усеяны клубеньками, которые образуются в результате заражения корневых волосков бактериями из почвы
Культивирование бобовых растений является мощным средством общего поднятия урожайности, так как накапливаемый их корнями азот сохраняется в почве. Так, клевер или люпин дает примерно 150 кг связанного азота на 1 га. Каждый куст люпина (или другого бобового) есть в сущности миниатюрный завод по утилизации атмосферного азота, работающий даром за счет солнечной энергии (Д. Н. Прянишников). С химической стороны процесс фиксации азота клубеньковыми бактериями еще недостаточно выяснен, но ведет, по-видимому, к образованию аммиака (9).
Отдельные бобовые растения довольно сильно различаются между собой по энергии фиксации азота. Посев бобовых на 1 га может дать в течение вегетационного периода накопление азота в количестве от 80 до 200 и более килограммов. Большое накопление азота дает люцерна, обладающая колоссальной корневой системой.
Бобовые растения образуют два типа узелков: индетерминантные, яйцевидной формы и детерминантные, круглой формы. Клубеньки богаты железом и белком, являясь богатым источником пищи для личинок некоторых долгоносиков (Sitona lineatus и других видов Sitona). Леггемаглобин также настолько похож на кровь млекопитающих, что его используют в заменителях мясных продуктов.
Принято считать, что все бобовые культуры (однолетние и многолетние) обогащают почву азотом. Однако, следует иметь в виду, что ни один вид растений не ставит своей задачей обогащения почвы (субстрата) азотом и/или другими элементами. Ведь в эволюционном аспекте бобовые растения «научились» усваивать азот воздуха для того, чтобы выжить в конкурентной борьбе за существование и оставить потомство — семена. Зачем же им тратить большое количество энергии (углеводов) для расщепления молекул азота (N2), чтобы затем оставить его в почве на корнях? Эволюция живых организмов в том числе растений так «отшлифовала», протекающие в них биологические процессы, что нет среди них ни одного, который был бы ненужным для организма. Фиксация N2 осуществляется потому, что в почве большой дефицит доступного азота в минеральной форме. Поэтому, как только в почве появляется достаточное количество минерального азота, то энергозатратный для растения процесс симбиотической азотфиксации немедленно прекращается. Растения не будут тратить энергию фотосинтеза на фиксацию азота, если в почве есть минеральный азот.
Зернобобовым культурам, которые заканчивают свой жизненный цикл (от семени до семени) за один вегетационный период нет необходимости депонировать какое-либо значимое количество азота в корнях.
Сохранность длительной продуктивности многолетних бобовых трав, напротив, обусловливается способностью растений запасать в корнях питательные вещества в том числе азот. Поэтому, говоря об обогащении почвы симбиотическим азотом, в большинстве случаев имеются в виду многолетние бобовые травы — клевер, люцерна, донник, эспарцет, лядвенец рогатый и люпин многолетний. Эти растения перед уходом в зиму запасают питательные вещества в мощной корневой системе и корневой шейке (нижней части стебля, коронке) со спящими почками для того, чтобы будущей весной при возобновлении вегетации обеспечить нормальный рост почек и молодых побегов, из которых разовьются побеги с цветами, плодами. В период вегетации в корнях откладываются новые запасы питательных веществ, которые обеспечат возобновление роста растений из спящих почек в последующий год и т. д. Корневая система и корневая шейка многолетних трав — это кладовая питательных веществ для последующего поколения. Депонировать необходимое для данного вида многолетних растений количество питательных веществ является жизненно необходимым для выживания вида. В корневой системе клевера и люцерны накапливается, соответственно, 80-110 и 100—140 кг/га азота. Это их страховой фонд. Распахивая посевы клевера, люцерны и других многолетних трав, мы «конфискует» их запасы элементов питания и, прежде всего, азота и передаем их другим сельскохозяйственным культурам.
Зернобобовые культуры в основном однолетники. Вся стратегия их роста и развития направлена на формирование репродуктивных органов — семян и продолжение вида. Поэтому питательные вещества накапливаются в вегетативных органах (листьях, стеблях и корнях) для того, чтобы передать их семенам. Например, растения гороха и фасоли и другие зернобобовые к фазе цветения накапливают 45-55% азота от максимального количества усвоенного за вегетацию. С наступлением фазы образования бобов происходит резкое изменение направленности физиолого-биохимических процессов во всех органах растения. Листья, стебли и корни работают теперь только на бобы до конца вегетации. Масса надземных вегетативных органов и корней увеличивается уже незначительно. В корни, а следовательно, и клубеньки все меньше поступает углеводов. Клубеньки, испытывая энергетический голод (дефицит углеводов), снижают активность азотфиксации, усиливается отток азота и других элементов из вегетативных в репродуктивные органы, растения стареют, начинают процесс саморазрушения. Растение мобилизует все ресурсы на образования максимально возможного количества семян хорошего качества. Около 70-80% азота, накопленного до цветения в вегетативных органах (листьях, стеблях и корнях), зернобобовые культуры перераспределяют в семена. В отличие от клевера, люцерны и других многолетних бобовых однолетние зернобобовые культуры к концу периода вегетации сильно истощают корневую систему, изымают из нее все, что только можно изъять. В период уборки в корнях зернобобовых культур остается около 20-30 кг/га азота. Это примерно столько же, сколько содержится его в корнях небобовых культур. С надземными растительными остатками в поле остается примерно столько же азота, сколько содержится его в скелетных корнях растения в период уборки семян.
Довольно точно количество азота, оставляемого зернобобовыми культурами в поле, можно определить по разности между максимальным содержанием его в растениях в фазу полного налива бобов и количеством азота, отчужденного с поля урожаем. При этом учитывают все опавшие вегетативные органы, а так же пожнивные и корневые остатки. Величина этой разности зависит, прежде всего, от урожайности и насколько полно убирается побочная продукция (солома) с поля. При урожае семян гороха 25 ц/га в поле остается около 35-40 кг/га азота. В корнях этих культур во время уборки содержится примерно половина этого количества азота. Это намного меньше, нежели растения потребляют из почвы.
Важно отметить, что если же зернобобовые убирают на зеленую массу в фазу цветения или в начале образования бобов, то в их корнях, в зависимости от урожайности, содержится в среднем в 2 раза больше азота (40-60 кг/га), чем при полной спелости. Естественно, что убирать зернобобовые в эту фазу нерационально, поскольку к этому времени они накапливают не более половины урожая. Однако на практике вику и горох часто высевают в чистых и смешанных посевах на зеленую массу
В то же время азотфиксирующая способность у разных видов и сортов бобовых культур не одинакова. Наиболее высокой азотфиксирующей способностью отличаются люцерна, люпин, кормовые бобы, клевер и донник. При благоприятных почвенных и погодных условиях доля фиксированного азота от общего содержания его растениях достигает у этих культур 80 %, в то время как у сои, гороха, фасоли, нута, вики чечевицы она составляет 40-60 %.
При изучении симбиотической фиксации N2 внимание исследователей было сосредоточено главным образом па бобовых растениях. Однако существуют многочисленные небобовые растения, способные к симбиотической фиксации азота. Из них наиболее интенсивно исследовали ольху, поскольку она широко распространена, интенсивно фиксирует азот и имеет большие клубеньки. Природа микроорганизма, который вызывает образование клубеньков у ольхи, до сих пор не выяснена, так как его до настоящего времени не удавалось культивировать вне растения и затем заразить свободное от микроорганизма растение и вызвать образование клубеньков. Многие исследователи на основании довольно убедительных косвенных данных считают, что этот микроорганизм относится к актиномицетам https://chem21.info/info/97852/
Азот является самым мобильным элементом в почве, ибо наряду с улетучиванием происходит его инфильтрация в подпахотные слои почвы в результате вымывания и закрепление в кристаллической решетке минералов. Преобладание направления трансформации определяет степень подвижности азота в почве, его доступность для растений и объем потерь на улетучивание. В естественных условиях эти процессы уравновешивают друг друга, формируя баланс азота и его форм в почвах.
Скорость минерализации (аммонификации и нитрификации) также определяется химическим составом почв, их температурой и влажностью. Существенное влияние оказывает и pH почв, вследствие чего в нейтральных и слабощелочных почвах 75-95 % минерального азота составляют нитраты. При этом стоит учитывать, что в вегетационный период растений в пределах их корневых систем происходят значительные изменения состава, кислотности, влажности, аэрации, численности и видового состава микроорганизмов https://research-journal.org/archive/8-134-2023-august/10.23...
Органика в почве — это гигантский резервуар углерода. Его запасы в верхнем метровом слое почвы составляют 1400 гигатонн [19], почти в три раза больше, чем во всей биомассе на Земле. Даже если совсем немного увеличить скорость поступления углерода в почву, это может снизить парниковый эффект.
Размышления на эту тему привели к появлению инициативы 4 per 1000 (четыре промилле). Ее авторы считают, что если мы повысим накопление углерода в почве на 0,4% в год, то этого хватит для того, чтобы ощутимо замедлить глобальное потепление. Для этого нужно:
бороться с эрозией и деградацией почв;
снижать вырубку лесов и сажать новые;
применять органические удобрения в сельском хозяйстве;
меньше распахивать почву, заменять пашню на пастбища ;
сеять травы и бобовые растения.
