Природный цикл азота, имеющий глобальный характер, включает образование, транспорт и аккумуляцию нитратов в различных компонентах биосферы, среди которых одно из главных мест принадлежит растительному организму.

Основы учения об азотном питании растении были разработаны Д. Н. Прянишниковым (1945) и в дальнейшем развиты его учениками. Было показано, что аммонийная (NH +) и нитратная (NO ) формы азота равноценны, но их соотношение может быть обусловлено видовой спецификой выращиваемой культуры, а также факторами окружающей среды. Так, на фоне калия растения лучше используют нитраты, на фоне кальция — аммоний, нитраты лучше усваиваются в кислой среде, тогда как аммоний — в щелочной. Но поскольку и амидная и аммонийная формы азота в почве подвергаются нитрификации, переходя в нитратную в течение 10—15 дней, то все-таки преобладающей формой минерального азота, поступающей в растения, являются нитраты. Надо отметить, что имеется определенная специфика в поведении различных форм азотных удобрении в почве и отзывчивости на них растений.

Запасы и доступность азота в почве зависят от скорости и направленности осуществляемых микроорганизмами процессов превращения азотистых соединений. Потребность культур в азоте зависит от биологических особенностей видов и сортов растений, уровня их потенциальной продуктивности, которые, в свою очередь, сопряжены с влиянием экологических факторов. При урожайности пшеницы и ячменя в пределах 50 ц/га примерная потребность растений в азоте составляет 150 и 130 кг/га. Урожай картофеля и сахарной свеклы в 400 и 500 ц/га растения требует в течение вегетации 200 и 250 кг/га азота, а кукуруза и травы при урожае зеленой массы в 600 ц/га потребляют 200 и 300 кг/га азота. Максимальный урожай капусты белокочанной, шпината и салата формируется при потреблении 250—350, 200— 250 и 100 кг/га азота соответственно. Однако большинство почв не в состоянии обеспечить полностью потребности культур в азоте, поскольку скорость и величина образования минерального азота в почве не совпадают с режимом азотного питания растений. Поэтому получение устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур в различных почвенно-климатических зонах обеспечивается лишь дополнительным внесением азота в виде минеральных или органических удобрений. Среднестатистическая прибавка урожая зерна от 1 кг азота минеральных удобрений составляет обычно 8—15 кг, корнеплодов сахарной свеклы — 40—60 кг, клубней картофеля — 50—60 кг, сухой массы кормовых трав — 15— 20 кг.

Размеры использования азота удобрений варьируют в широких пределах от 20 до 85% от внесенного количества, составляя в полевых условиях в среднем 30—50%. Размеры потребления азота растениями зависят от биологических особенностей вида и сорта, гидротермического режима, водно-физических и агрохимических свойств почвы, технологических операций, проводимых в ходе возделывания культур.

Исследования показали, что овощные и кормовые культуры используют от 35 до 50% азота удобрений.

При этом в общей потребности азота основное количество (60—62%) занимает азот почвы. Применение азотных удобрении в оптимальных для каждого вида растений дозах способствует дополнительному накоплению азота почвы в урожае по сравнению с безазотным фоном (экстра-азот) за счет прямого минерализующего действия азотных удобрений на азотсодержащие органические соединения почвы и стимулирующего влияния на рост и развитие растении. Этот факт требует обязательного учета при применении азотных удобрении под овощные и кормовые культуры с высокой потенциальной способностью к накоплению нитратов. Процесс усвоения азота растениями имеет экологическое значение, поскольку в ходе онтогенеза корневая система растений поглощает нитраты, которые в противном случае легко вымываются из почвы, что ведет к загрязнению природных вод. Своеобразная роль растений как биогеохимического барьера при миграции нитратов проявляется а способности к их накоплению в определенных почвенных условиях и режимах минерального питания.

В основных овощных и кормовых культурах в виде нитратов накапливается значительное количество азота, которое достигает 38—43 кг/га N—NO -, а в некоторых случаях 47 кг/га. При учете количества нитратов, содержащегося в побочной продукции, общий вынос N—NO - такими культурами, как редис, столовая и кормовая свекла, увеличивается в 1,2—1.5 раза. Размеры потерь азота с внутрипочвенным стоком в различных почвенно-экологических зонах могут достигать 60 кг/га. Следовательно, в продукции овощных и кормовых культур может накапливаться почти эквивалентное количество нитратного азота, теряемого из почвы в результате вымывания. Поскольку рассматриваемые типы почв характеризуются промывным или периодически промывным водным режимом, то накопленный в урожае растений азот нитратов мог бы быть потерян из системы “почва—растение”.

Значение аккумуляции нитратного азота в предотвращении возможного вымывания нитратов из почвы особенно возрастает при применении азотных удобрении. Если на неудобренном фоне в основной продукции культур накапливается в среднем 0,4—1,4 кг/га N—NO -, количество которого может варьировать от 0,05 до 17,7 кг/га, то внесение азотных удобрений увеличивает степень аккумуляции N—NO - в урожае в 2—10 раз. Размеры аккумуляции нитратов достигают наибольшей величины при применении высоких доз азотных удобрении, использование которых не обеспечивает пропорционального роста урожая культур. При возникновении подобной стимуляции аккумуляция азота нитратов растениями является своего рода природным механизмом устранения избыточной концентрации нитратов в корнеобитаемом слое почвы.

В зависимости от вида культуры, хозяйственного предназначения урожая, системы ведения хозяйства, характера используемой агротехники и других факторов определенная часть поглощенного азота поступает обратно в почву с корневыми выделениями, в ходе вымывания минеральных форм из вегетативных органов, с корневыми и пожнивными остатками, побочной продукцией при ее запашке в почву. Вследствие этого азотсодержащие соединения, аккумулированные растениями, могут быть источником нитратов в почве в послевегетационный период. В более широком плане возврат в почву усвоенного растениями азота происходит за счет внесения навоза и экскрементов животных, однако в этом случае возможно перераспределение азота в пределах территории хозяйства или региона.

Конкретная система применения азотных удобрений должна соответствовать почвенно-экологическим условиям, специализации севооборота, чередованию культур, биологическим их особенностям.

Нитраты в растениях

Среди многих причин, обусловливающих накопление нитратов в растении, следует выделить следующие; видовая и сортовая специфика накопления нитратов; условия минерального питания, почвенно-экологические факторы. Зачастую факторы, способствующие накоплению нитратов, воздействуют в комплексе, что осложняет прогнозирование уровня нитратов в продукции.

Видовые различия растений по накоплению нитратов зачастую обусловлены локализацией нитратов в отдельных органах растений. Выяснение особенностей локализации нитратов в разных органах и тканях представляется важным как для понимания механизмов перераспределения и запасания нитратов в ходе онтогенеза, так и диагностики качества продукции овощных и кормовых культур.

Распределение нитратов в растениях

Знание особенностей распределения нитратов в товарной части урожая продукции представляет особый интерес для потребителя, так как позволяет рационально использовать продукцию как на переработку (варка, приготовление соков, квашение, соление, консервирование), так и в пищу в свежем виде. Это, в свою очередь, обеспечивает снижение количества нитратов, поступающих в организм человека.

Распределение нитратов связано с физиологической специализацией и морфологическими особенностями отдельных органов возделываемых культур, типом и расположением листьев, размером листовых черешков и жилок, диаметром центрального цилиндра в корнеплодах. Распределение нитратов тесно связано с видом растения. Так, нитраты практически отсутствуют в зерне злаковых культур и в основном сосредоточены в стеблях и листьях. Зеленые культуры накапливают большое количество нитратов, как правило, в стеблях и черешках листьев. В листовой пластинке зеленых культур нитратов содержится в 4—10 раз меньше, чем в стеблях. Высокое содержание нитратов в стеблях и черешках вызвано тем, что они являются местом транспорта нитратов к другим органам растений, где они ассимилируются до органических соединении азота. Способность же ткани накапливать нитраты связана с целым комплексом факторов как внутренних, так и внешних. Наибольшее их количество находится в нижней 11 части листа, минимальное — в его верхушке.

Накопление нитратов меняется в зависимости от типа органа растения. В клубнях картофеля низкий уровень нитратов обнаружен в мякоти клубня, тогда как в кожуре и сердцевине их содержание возрастало о 1,1—1.3 раза. Сердцевина, кончик и верхушка столовой свеклы отличаются от остальных его частей повышенным содержанием нитратов. Поэтому у столовой свеклы необходимо отрезать верхнюю и нижнюю части корнеплода.

В белокочанной капусте наибольшее количество нитратов находится в верхушке стебля (кочерыжке). Верхние листья кочана содержат их в 2 раза больше, чем внутренние. И так же как у зеленых овощей, черешки листьев капусты отличаются более высоким содержанием нитратного азота, чем листовые пластинки.

Зоны с разным содержанием нитратов и в корнеплодах моркови. Их высокое содержание обнаружено в верхушке и кончике корнеплода. В сердцевине корнеплода уровень нитрата выше, чем в коре. Уровень нитратов в сердцевине уменьшается от кончика корнеплода к верхушке Круглоплодные сорта редиса (тип Рубин) содержат нитратов значительно меньше, чем сорта типа Красный великан. В середине корнеплода их содержание значительно меньше.

Представители семейства тыквенных (кабачки, огурцы, патиссоны, арбузы, дыни, тыква) широко представлены в ассортименте продуктов питания человека. Содержание нитратов в огурцах и кабачках уменьшается от плодоножки к верхушке плода, их больше в кожице, чем в семенной камере и мякоти. Поэтому перед употреблением в пищу необходимо отрезать часть плода, примыкающую к хвостику. То же самое необходимо еде дать и с плодами патиссона, поскольку больше всего нитратов находится в этой зоне плода. Больше нитратов сосредоточено по периферии плодов, чем в их середине.

Влияние факторов на содержание нитратов

Среди представителей высших растений выделяется группа семейств, аккумулирующих значительные количества нитратов. К ним относятся семейства амарантовых, маревых, зонтичных, сложноцветных, капустных, пасленовых. Среди семейств, охватывающих овощные культуры, наибольшей способностью к накоплению нитратов отличаются капустные, тыквенные, сельдерейные, пасленовые. Наибольшее количество нитратов накапливают редька белая, свекла столовая, салат, шпинат, редис, такие же культуры, как томаты, перец сладкий, баклажаны, чеснок, горошек, отличаются низким содержанием нитратов.

Одной из причин видовой специфики накопления NO - является несоответствие размеров поглощения нитратов из почвы и их ассимиляции растениями.

По соотношению органического и минерального азота, поступающего с пасокой (ксилемным соком) из корней, растения условно можно разделить на три группы; нитратредуктаза локализована в корнях, обладает высокой активностью, поэтому восстановление нитратов и образование органических и азотсодержащих веществ происходит в корнях, откуда в надземную часть растения поступает в основном азот в органической форме; нитратредуктаза в корнях обладает низкой активностью, поэтому с ксилемным соком транспортируется в надземную часть в основном минеральный азот — нитраты, их восстановление идет в листьях, где локализован фермент с высокой активностью; нитратредуктаза в корнях и листьях обладает одинаковой активностью, поэтому в составе пасоки обнаруживаются и нитраты, и органические соединения азота.

Накопления нитратов различными культурами носит наследственно закрепленный характер, т. е. они обладают сортовой спецификой, которая выявлена у ряда видов овощных и бахчевых культур. Таким образом, сортовые различия по накоплению нитратов могут быть обусловлены разной реакцией на условия окружающей среды и режим минерального питания, а также генетически закрепленным уровнем нитратредуктазы, разной продолжительностью периода вегетации сортов.

Одна из причин сортовых н видовых различий в накоплений нитратов — физиологическая спелость растения к моменту уборки. Количество нитратов особенно велико в тех случаях, когда период товарной зрелости наступает раньше физиологического созревания. С возрастом содержание нитратов в растении снижается из-за уменьшения запасов минеральною азота в почве, а также в связи с увеличением запасов ассимилятов, вовлекающих нитраты в метаболизм. Снизить количество нитратов можно путем подбора оптимальных условий уборки урожая с учетом почвенно-экологических факторов.

Причиной накопления нитратов в растениях служат не только биологические особенности возделываемых культур, но и условия минерального питания, отличающиеся большим разнообразием. Здесь огромная роль принадлежит правильному выбору доз азотных удобрении, а это возможно только с учетом исходных запасов минерального азота или азотминерализующей способности почвы, позволяющей учесть мобилизованный в ходе вегетации растений азот почвы.

Питание растений, несбалансированное основными элементами, также одна из причин накопления нитратов. При этом нарушается нормальный ход ассимиляции нитратов в растениях. Недостаток фосфора косвенно способствует накоплению нитратов, так как он стимулирует активность нитратредуктазы. Но единого мнения о влиянии фосфора на накопление нитратов нет, В одних случаях внесение фосфорных удобрений снижает уровень нитратов, в других накапливает. Калий, участвуя в процессах углеводного обмена, косвенно влияет на синтез белков. При совместном внесении азота и калия в растении увеличивается содержание органического азота, а минерального (нитратов) снижается. Подобная закономерность обнаружена на пойменной почве с капустой, морковью, столовой свеклой, В то же время в других случаях применение калийных удобрении повышало содержание нитратов в растении. Таким образом, одной из причин неоднозначного влияния фосфора и калия на накопление нитратов в растении является широкий спектр их доз, соотношений, а также различие запасов подвижных форм этих элементов в почвах.

Среди факторов внешней среды на содержание нитратов в растении больше всего влияет влажность, свет, температура воздуха и почвы, которые, действуя в комплексе, усиливают или ослабляют свое взаимодействие.

Изменение влажности неоднозначно сказывается на накоплении нитратов, Интенсивное увлажнение почвы усиливает поглощение нитратов корнями, что в сочетании с пониженными температурами ведет к избыточному накоплению нитратов. С другой стороны, высокий вровень нитратов в растении в засушливые периоды можно снизить поливами овощных культур, так как они стимулируют рост, а также способствуют частичному вымыванию нитратов из верхних горизонтов почвы.

Пути регуляции содержания нитратов в растениях включают комплекс агрохимических, технологических” селекционно-генетических и санитарно-гигиенических мероприятий. Снижение доз азотных удобрений до определенного количества (благодаря чему снизится уровень нитратов) может обеспечить урожай растений лишь на 5—10% ниже максимального. Оптимизации доз азотных удобрений возможна при учете запасов минерального азота и величины азотминерализующей способности почвы перед применением удобрений. Снизить содержание нитратов можно путем применения медленно действующих форм удобрения, таких, как мочевиноформальдегидное удобрение, протопил, изобутилидендимочевина, применение которых снижает содержание NO - в листовых овощах в 5—10 раз. а также путем покрытия гранул капсулами, защитными пленками. Это снижает скорость растворения туков и обеспечивает равномерное снабжение азотом растения в течение всей вегетации.

Эффективным средством снижения содержания нитратов в растении являются ингибиторы нитрификации (сероуглерод, дициандиамиддидин, КМП), использование которых даже при высоком уровне содержания азота в почве эффективно снижало количество нитратов в урожае зеленых овощей и редиса.

Существует технологический путь решения “нитратной” проблемы — локальное применение азотных удобрений под овощные, кормовые культуры. Доза азота сокращается на 25—30% по сравнению с разбросным, а уровень продуктивности не снижается, зачастую и повышается. Это объясняется тем, что в месте внесения азота образуется очаг повышенной концентрации аммония, который замедляет нитрификацию на 3—5 недель. Преимущественное использование растениями аммонийного азота позволяет полнее использовать его на построение белков и тем самым снижать аккумуляцию нитратов. При локальном внесении азотных туков количество нитратов у зеленых культур и редиса снижалось на 9—58%. у кукурузы, свеклы кормовой — на 10-40% по сравнению с разбросным внесением тех же доз азота.

Кроме того, в практике все большее распространение должны получить сорта с низкой способностью к накоплению нитратов, что может стать основой для улучшения биологического качества растениеводческой продукции. Этот путь наиболее целесообразен при выращивании овощей с коротким периодом вегетации (редис, листовые овощи), отличающихся повышенной способностью к накоплению нитратов.

В снижении содержания нитратов в овощной продукции может помочь выбор оптимальных сроков уборки урожая. Так, уборку листовых овощей следует проводить в вечерние часы, так как в это время в них содержится на 30—40% меньше нитратов.

Удобрения оказывают неодинаковое воздействие на накопление нитратов в отдельных органах растения. Например, с увеличением доз азотных удобрений содержание нитратов в большей степени возрастает в стеблях цветной капусты, чем в ветвях соцветий и цветках. При повышении доз азота количество нитратов в черешках листьев растет сильнее, чем в листовых пластинках сахарной свеклы. Также в большей мере возрастает накопление нитратов в кончике корнеплода редиса, чем в средней его части. С повышением доз азотных удобрений более заметно растет количество нитратов в мякоти плодов огурца, менее заметно — в его кожице.