 |
|
|
Костычев. ПОЧВОВЕДЕНИЕ |
АЗОТИСТЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА, НАХОДЯЩИЕСЯ В ПОЧВАХ И ОКОНЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОДУКТЫ РАСПАДЕНИЯ ИХ. КРУГОВОРОТ АММИАКА И АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ В ПРИРОДЕ
|
Смотрите также:
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
Во всякой почве мы находим азот в виде аммиачных и азотнокислых солей и в виде органических соединений в перегное; наибольшее количество азота содержится в почвах в виде органических веществ, гораздо менее—в виде азотнокислых солей и, наконец, еще несравненно меньше—в виде аммиака. Чтобы показать на некоторых примерах соотношения между количествами азота в виде этих различных соединений, мы приведем некоторые цифры из исследований Вильгельма Вольфа и Бретшнейдера.
По иследованиям Вольфа над русским черноземом и некоторыми саксонскими почвами, в них содержалось азота: в виде азотнокисл. солей В виде аммиачных солей В виде органич. соединений Содержание перегноя (в процентах) В черноземе В точве из гнейса » » » глинистого сланца .... » » » красного песчаника . . . 0,024 0,032 0,014 0,024 0,0003 0,0012 0,0012 0,44 0,28 0,27 0,19 6,98 4,46 3,25 1,56
Из этого мы можем видеть, что содержание в почвах азота в виде органических соединений возрастает и уменьшается сообразно увеличению или уменьшению содержания в них перегноя, хотя строгой пропорциональности при этом не замечается: по цифрам предыдущей таблицы видно, что перегной в черноземе содержал 6,2% азота, а перегной в почве из красного песчаника—11,9% азота.
В разное время года в той же самой почве при разных состояниях ее количество азота, содержащегося в виде различных соединений, может значительно изменяться, как это видно из следующих результатов исследований Бретшнейдера; этот ученый определял содержание аммиака, азотной кислоты и всего азота в той же самой почве под разными растениями в конце апреля, в июне, в августе и в сентябре. Из результатов его мы приведем только следующие (см.таблицу на стр. 63).
Общее содержание азота в середине лета повысилось всюду, за исключением парового поля; к осени количество его или почти не изменилось или уменьшилось против первоначального везде, за исключением поля с викой, где оно увеличилось. Азота в виде азотной кислоты к середине лета почти везде сделалось На десятине в слое почвы толщиной в 9,85 дюйма содержалось фунтов Свекловичное Поле Поле с Паровое поле с викой овсом поле Аммиака в конце апреля 153,9 153,9 153,9 153,9 30 июня 107,1 62,4 104,0 83,2 9 сентября 44,0 44,0 19,2 60,8 2) А з о т н о й кислоты в конце апреля 146,6 146,6 146,6 146 6 30 июня 1 149,7 40,0 242,3 826,8 9 сентября 0 31,7 0 0 3) Всего азота в конце апреля 12 095,7 12 095,7 12 095,7 12 095,7 30 июня 14 933,9 14 787,8 14 338,0 И 655,3 9 сентября 11 906,6 16 956,2 13 012,5 11168,0
больше, но к осени азотная кислота почти всюду исчезла из почвы. Таким образом, из этого исследования (и из других, подобных ему) мы можем видеть, что как азот иерегноя, так иазотная кислота и аммиак не представляют никакого постоянства по содержанию их в почве, но количество их в почвах при разных условиях сильно изменяется.
Так как азотистые питательные вещества [соединения пищи] для растений наиболее ценны в хозяйственном отношении, сравнительно с другими, и так как вопрос о них представляет во многих отношениях высокий теоретический интерес, то мы должны остановиться на его рассмотрении подробнее. Изучение их разнообразных отношений к почве представляет одно из важнейших средств для наиболее выгодного пользования почвою.
Мы уже знаем из предыдущего, что органические вещества почвы постоянно разлагаются, причем из них при доступе воздуха образуется аммиак, а без доступа воздуха—свободный азот. При затрудненном доступе воздуха образуются и аммиак и свободный азот, причем количество того и другого продукта определяется количеством воздуха, находящегося в соприкосновении с разлагающимся органическим веществом. Относительно аммиака нам известно, что он может поглощаться цеолитами и перегнойными солями и превращается в почве в труднорастворимые соединения. Азотная кислота почвой не поглощается и вследствие этого может выщелачиваться из почв водою, просачивающеюся вниз.
При произрастании растений поглощаемые ими аммиак и азотная кислота превращаются в органические вещества; вследствие этого произрастание растений представляет причину уменьшения в почвах аммиака и азотной кислоты и увеличения количества азота, находящегося в виде органических соединений.
Напротив, гниение растительных остатков составляет причину уменьшения количества азота в виде органических соединений и увеличения количества аммиака. Оба эти процесса, т. е. увеличение в почве азота органических соединений вследствие произрастания растений и увеличение в почве количества аммиака при разложении растительных и животных остатков, происходят одновременно в теплое время года. К осени результат обоих процессов может быть различен: количество аммиака может быть меньше, чем весной, если поглощение его произрастающими растениями было сильнее, чем образование при гниении растительных остатков; количество азота в органических соединениях, напротив, сделается в таком случае больше. При обратном отношении обоих процессов результат будет противоположный.
Гниение органических остатков представляет не единственный источник увеличения количества аммиака в почве. Аммиак, кроме того, поступает в почву вместе с дождевой водой, при оседании росы и вообще в различных метеорных осадках.
Количество аммиака, поступающего в почву таким путем, было определено во многих местностях и оказалось в разных случаях весьма различным. Наименьшее количество дали исследования на одной из химических станций Германии (Кушен) в 1864/65 году, именно, 5,5 ф. азота на десятину, из которого около 1ji приходится на азот в виде азотной кислоты; наибольшее количество найдено в Про- скау в том же году, именно 62,5 ф. на десятину, и из этого более х/3 приходится на азот в виде азотной кислоты. Среднее количество получаемого почвой с дождями азота на основании всех существующих исследований составляет несколько более 25 ф. на десятину, причем на долю аммиачного азота приходится около 2/3 этого количества.
Количество азота, получаемого почвой при оседании росы, не было определяемо, потому что определение количества самой росы довольно затруднительно, так что точных цифр относительно этого до настоящего времени не имеется.
Наконец, кроме всего этого, почва обладает способностью поглощать газообразный аммиак (в виде углекислого аммиака) непосредственно из воздуха. По исследованиям Бретшнейдера, способность эта в особенности велика у почв, богатых перегноем; так, например, следующие смеси поглотили азота в виде аммиака по расчету на десятину в год. Смесь из кварца с 1% искусственно приготовленного перегноя .... 18,7 ф. Смесь из кварца и 3% того же перегноя 64,9 » Смесь из кварца и 5% того же перегноя 122,9 »
Следовательно, поглощены были значительные количества азота. Исследования Шлезинга над поглощением аммиака почвами непосредственно из атмосферы дали результаты, сходные с предыдущими настолько, насколько вообще может быть сходство в подобных случаях. Пропуская чистый (не содержащий аммиака) воздух через почву, в которой содержался аммиак, Шлезинг нашел, что прошедший воздух содержал ничтожные количества аммиака: в нем содержалось гораздо менее аммиака, чем в обыкновенном атмосферном воздухе; из этого Шлезинг на основании соображений, которые будут сообщены нами ниже, заключил, что из обыкновенного воздуха, более богатого аммиаком, почва должна поглощать это вещество, и доказал это предположение следующими опытами: выставивши на воздух две почвы, Шлезинг определял в них содержание аммиака каждый раз через неделю и получил следующие результаты (цифры показывают миллиграммы аммиака в 50 г почвы). Почвы все время оставались сухими, и, следовательно, в них не происходило образования аммиака вследствие гниения органических соединений.
Почва, содерж. известь Почва, не содерж. извести 30 июля . . . . 0,797 1 августа . . 0,219 6 августа . . . 0,996 9 » 0,964 13 » . 1,044 16 » 1,871 20 » . 1,626 23 » 2,221 27 » . 1,730 30 »> 2,391 3 с ентября . . . 1,684 6 сентября . . 3,011 10 » . 2,094 13 » 3,591 17 » . 2,504 20 » 4,141
Почвы все время оставались сухими, и, следовательно, в них не происходило образования аммиака вследствие гниения органических соединений.
На основании других опытов Шлезинга, при которых влажная почва в течение 14 дней поглотила на пространстве 1 кв. дм 2,59 мг аммиака, а в 28 дней—4,10 мг, можно вычислить, что на 1 десятине в течение года при одинаковых условиях было бы поглощено от 140 до 170 ф. аммиака; если же принять в расчет только то время, когда земля свободна от снега, то указанные количества уменьшатся до 70—80 ф. на десятину в год, следовательно, будут все- таки значительны.
Аммиак и азотная кислота, приносимые в почву атмосферными осадками, и аммиак, поглощаемый почвой непосредственно из воздуха,—пока единственные известные нам источники обогащения почвы соединенным (несвободным) азотом на счет атмосферы.
Еще в недавнее время полагали, что почва может поглощать из воздуха свободный азот и превращать его в аммиак или в органические соединения. Из защитников этого воззрения за последнее время следует указать в особенности на Симона и Дегерена, мнения которых, основанные на опытах, разделялись весьма многими. Нужно заметить, однако, что вопрос о превращении почвой свободного азота в аммиак или органические соединения требует при производстве опытов особенных предосторожностей ввиду того, что в воздухе постоянно находится аммиак и поглощение его почвой или отдельными составными частями ее легко принять за поглощение свободного азота. По этой причине все опыты, при которых замечалось в почве увеличение азота, повиди- мому, вследствие поглощения его в свободном состоянии, не подтвердились впоследствии, когда были приняты достаточные предосторожности, т. е. когда почва или отдельные составные части ее находились в соприкосновении только с азотом свободным, т. е. когда доступ аммиака был устранен вполне. Иногда ошибочные заключения о поглощении свободного азота обусловливались другими причинами, а не поглощением аммиака; входить в подробное рассмотрение всего этого было бы здесь излишне. Для того чтобы показать, какие получаются результаты при правильном производстве опытов, мы приведем здесь некоторые результаты последних исследований Шлезинга.
При действии азота на смесь виноградного сахара со щелочью (причем Дегерен находил поглощение азота) Шлезинг определял начальное и конечное количество газообразного азота, бывшего в аппарате, и точно так же поступал при исследованиях над почвой. При этом получено: Начальное количество азота . 31,09 куб. см Конечное » » . 31,36 » » Во всех случаях получено было по окончании опыта или столько же азота или большее количество, чем до опыта, и, следовательно, происходило не поглощение азота, а иногда даже выделение его. Источник ошибки Дегерена состоял в том, что он не принял в расчет азотной кислоты, содержавшейся в щелочи, которая употреблялась им для опытов. Нашедши по окончании опыта азот, он считал его поглощенным из атмосферы, тогда как на самом деле он был в смеси уже до опыта.
В последнее время, впрочем, вопрос о поглощении почвами свободного азота и о превращении его в азот соединенный вновь возбужден исследованиями Вертело. При его опытах различные почвы, поставленные в такие условия, при которых они могли поглощать из воздуха азот, мало-помалу обогащались этим веществом; но замечательно, что такое обогащение замечено было в тех только случаях, когда в почве не были убиты низшие организмы, находящиеся в ней; если же почву предварительно нагреть до 100° и убить находящиеся в ней организмы, то она теряет способность обогащаться азотом. Из этого видно, что поглощение азота из воздуха происходит, повидимому, под влиянием низших организмов и представляет, следовательно, процесс физиологический, а не чисто химический. Если бы это оказалось справедливым, то исследованиями Вертело был бы открыт факт первостепенной важности; но в настоящее время пока трудно признать его вполне доказанным, и необходимы новые исследования для поверки результатов Вертело. В настоящее время результаты эти подтверждаются пока только некоторыми давними опытами Соссюра\ но опыты эти тоже нуждаются в поверке. Во всяком случае, нельзя не признать, что исследования Вертело указывают на необходимость новых исследований в таком вопросе, который многими считался решенным в отрицательном смысле, и притом опыты Вертело указывают на возможность решения вопроса, наоборот, в смысле положительном.
Принимая во внимание, что в почве образуется ежегодно много аммиака из органических соединений при гниении их (мы видели раньше, что иногда таким путем образуется аммиака более того, сколько его нужно для произрастающих растений в одно лето) и что, кроме того, много аммиака получается почвами из атмосферы, мы должны ожидать, что в некоторых случаях (в особенности, например, в почвах при паровой обработке их) почвы могут значительно обогащаться аммиаком, потому что он поглощается почвой и, следовательно, не может из нее выщелачиваться водой. На самом деле, однако, мы не замечаем этого никогда; анализы показывают нам в почвах всегда ничтожные количества аммиака, несмотря на то, что при его определении в почвах употребляются такие способы, при которых получается (по неточности способов) больше аммиака, сравнительно с тем, сколько его действительно содержится в почвах. Из этого ясно, что существует причина, по которой аммиак постояно исчезает из почв.
По отношению к этому вопросу весьма интересно сравнить отношение между азотной кислотой и аммиаком в атмосфере и в почве; в воздухе, как мы видели, содержится больше аммиака, чем азотной кислоты, тогда как в почвах, по указаниям всех вообще анализов, находится больше азотной кислоты, чем аммиака. При гниении органических веществ образуется аммиак, но не азотная кислота; из воздуха в почву попадает в гораздо большем количестве аммиак, чем азотная кислота, и потому если мы в почвах находим, наоборот, больше азотной кислоты, чем аммиака, то из этого ясно, что в почвах существуют процессы, при которых аммиак превращается в азотную кислоту; образование в почвах азотной кислоты было известно уже давно и составляло предмет многих исследований.
Многими опытами было показано, что образование азотной кислоты происходит в тех только случаях, когда есть в смеси аммиак, но что прямо из органических веществ при гниении азотная кислота не образуется. Но затем самый процесс превращения аммиака в азотную кислоту представлял много загадочного, несмотря на разносторонние исследования. Так, например, можно было полагать, что образованию азотной кислоты должно содействовать присутствие оснований; согласно этому, предполагали, что прибавка в почву пли в искусственные смеси извести должна усиливать образование азотной кислоты. При некоторых опытах предположение это оправдывалось, при других, наоборот, не подтверждалось. Так, Фатбоген нашел, что в болотной почве образование азотной кислоты усиливалось от прибавки углекислого кали, углекислой извести, жженой магнезии и жженой извести. Между тем известные опыты Буссенго над известкованием почв показали, что прибавка в почву извести нисколько не содействует образованию азотной кислоты.
Буссенго впоследствии произвел новые исследования относительно участия твердых составных частей почвы в образовании селитры. Он взял для этого чистый (промытый и прокаленный) песок, промытый мел и почву, содержащую менее 0,02% извести, и смешал их с веществами легко разлагающимися, в которых содержание азота было определено, именно, с мясом, кровью, рапсовыми жмыхами, костяной мукой и пр. Смеси были смочены водой и помещены в большие стеклянные сосуды, сообщавшиеся с внешним воздухом посредством узкого отверстия. Сосуды оставались 5 лет в комнате, и после этого смеси анализированы. При этом оказалось, что только в смесях с почвой образовалась азотная кислота, тогда как в смесях с песком и мелом найдены были только следы азотной кислоты. Следовательно, в этом случае почва во всем ее составе производила совсем иное действие, чем отдельные составные части ее.
Из составных частей атмосферного воздуха азот, как показано выше, совсем не участвует в образовании азотистых соединений в почве; что касается кислорода, то присутствие его, несомненно, необходимо, потому что образование азотной кислоты, во всяком случае, есть окисление аммиака, и для образования азотной кислоты из одного пая аммиака нужно четыре частицы кислорода, согласно уравнению: NH3 + 40 = HN03+H20. Исследования Шлезинга показали, однако, что для образования азотной кислоты в наибольшем количестве достаточно меньшего содержания кислорода в воздухе, действующем на почву, сравнительно с количеством кислорода в обыкновенном атмосферном воздухе. При пропускании через почву воздуха с разным содержанием кислорода Шлезинг получил следующие результаты: Опыт I Кислорода в воздухе, проходившем через почву 1,5%; 6%; 11%; 16%; 21% по объему Количество азотной кислоты, образовавшейся в 4 месяца 45,7; 95,7; 132,5; 246,6; 162,5 мг Опыт II Кислорода в воздухе, проходившем через почву 0; 6%; 11% 16%; 21% по объему Азотной кислоты образовалось — 199; 222; 203, 225 мг » » исчезло 64 мг
Следовательно, уже при И % кислорода азотной кислоты образуется столько же, как и при 21%. При отсутствии кислорода азотная кислота не только не образовалась вновь, но даже исчезла и бывшая в почве до опыта, превратившись, очевидно, в другие вещества. Следующим опытом Шлезинг доказал, что азотная кислота почвы при отсутствии кислорода может разлагаться, образуя свободный азот. 11,4 кг земли с 18,2% влажности были смешаны с 7,5 г чистой селитры и помещены в большой стеклянный сосуд. Воздух из него был выкачан и введена смесь из 3,8732 л азота и 1,0172 л кислорода. Сосуд закупорен пробкой, сквозь которую проходила стеклянная трубка, отогнутая вниз; конец ее опущен в ртуть и подведен под трубку с ртутью. Содержимое стеклянного сосуда было уединено от сообщения с воздухом, а если бы из смеси в сосуде отделялись газы, то они собирались бы в трубку, вытесняя ртуть, и их можно было бы собрать, измерить и анализировать. Смесь анализирована до опыта и после него; в ней найдено после опыта: Лзотной кислоты ......... 0 Аммиака 346,6 мг До опыта было: Азотной кислоты, соответствующей 1 262,0 мг аммиака Аммиака 143,9 » Следовательно, мы видим, что во время опыта азотная кислота исчезла а содержание аммиака увеличилось только на 192,7 мг, тогда как азотная кислота, если бы она превратилась в аммиак, могла дать 1 262,0 мг аммиака; из этого ясно, что азотная кислота превратилась в другие вещества, а не в аммиак. Следующий расчет показывает, во что именно она превратилась.
После опыта во всем аппарате найдено газообразного азота 4 897,9 куб. см До опыта было 3 873,2 » » Следовательно, во время опыта образовалось 1 024,7 куб. см азота. Прибавленные в почву 7,5 г селитры могли образовать при разложении 828,0 куб. см азота. Из этого видно, что не только вся азотная кислота была во время опыта превращена в свободный азот, но и из азотистых составных частей почвы получилось еще 196,7 куб. см азота. В почве, содержащей достаточное количество газообразного кислорода между своими частицами, образование азотной кислоты происходит с замечательной быстротой при благоприятных условиях. Это видно, например, из того, что дренажные воды, прошедшие сквозь почву, удобренную аммиачными солями или азотистыми органическими веществами, содержат большие количества азотной кислоты. Так, например, при анализах дренажных вод с опыт- ных полей в Ротамстеде Фелькер нашел в 100 ООО частей воды (собранной в декабре): Вода с участков Удобренного Удобренного Удобренного Неудобрен 41 ф. азота 123 ф- азота ных в виде ам в виде ам навозом миака миака Азотной кислоты Аммиака 2,50 0,0256 5,12 0,0285 9,88 0,0570 7,53 0,0328
Несмотря на обильное удобрение аммиаком, в дренажных водах с удобренных участков были ничтожные количества аммиака, почти такие же, как в воде с нэудобренных участков; напротив, в зависимости от увеличения количества аммиака в удобрении, возрастало в дренажных водах количество азотной кислоты. Еще более резкие, можно сказать, поразительные примеры быстроты превращения аммиака в азотную кислоту дают исследования английской комиссии устранения загрязнения рек.
Комиссией произведено множество опытов над процеживанием грязных городских сточных вод через почву, причем исследовался состав воды до процеживания и после него. Мы приведем несколько результатов таких опытов; в таблице показано содержание веществ в 100 ООО частей воды: Азота в Всего Углерода Азота виде азот твердых в орган. в орган. Аммиака ных и веществ соед. соед. азотистых солей Состав воды до фильтрования 645,0 4,386 2,484 5,557 0 При прохождении 22,5 л этой воды через 0,105 1 куб. м почвы в сутки 127,0 0,934 0,010 4,904 При прохождении 45 л воды через 1 куб. 0,542 м почвы в сутки 99,2 0,063 0,012 3,506
Из этих опытов можно видеть, что в течение того времени, какое необходимо для прохождения воды в очень значительном количестве через слой почвы около 1% аршина толщиной, весь содержащийся в ней аммиак (если даже его в воде весьма много) успевает превратиться в азотную кислоту.
Разъяснение процесса образования азотной кислоты в почвах дано было исследованиями Шлезинга и Мюнца, которые были потом подтверждены работами других ученых.
Желая проследить образование азотной кислоты из аммиака, Шлезинг и Мюнц процеживали клоачную воду, содержащую определенное количество аммиака, сквозь прокаленный кварцевый песок, смешанный с углекислой известью и находящийся в цилиндре в 1 м высотой. В первые дни содержание аммиака оставалось без изменения после прохождения сквозь песок; только на двадцатый день в прошедшей жидкости появилась азотная кислота, и с этого времени образование ее становилось все сильнее и сильнее, так что, наконец, во время прохождения воды сквозь песок в ней успевало образоваться очень большое количество азотной кислоты. Факт этот указывал, что превращение аммиака в азотную кислоту не есть простой процесс окисления, потому что кислород действовал на проходящую жидкость с первого же дня, а образование азотной кислоты началось позднее. Из этого видно, что в песке появилось потом нечто, способствующее образованию азотной кислоты, и что этот окисляющий деятель накоплялся постепенно, вследствие чего образование азотной кислоты соответственно ускорялось.
Если цилиндр с песком, в котором происходило в сильной степени образование азотной кислоты, нагреть до 100°, то образование азотной кислоты прекращалось и могло начаться вновь только по истечении долгого времени. Из этого видно, что образователь азотной кислоты есть нечто непрочное, уничтожаемое простым нагреванием до 100°. В цилиндре, лишенном образователя азотной кислоты, можно было вновь вызвать тотчас же окисление аммиака прибавкой небольшого количества земли или очень малого количества песка из другого цилиндра, где образование азотной кислоты не прекращалось. В цилиндре после такой прибавки окисление аммиака могло происходить неопределенно долгое время, так что в нем можно было превратить весьма большие количества аммиака в азотную кислоту, между тем как образователя азотной кислоты прибавлено было ничтожное количество.
Такие процессы, при которых значительные количества какого-либо вещества изменяются под влиянием весьма малых количеств другого вещества, причем это последнее не претерпевает при этом заметных изменений и остается способным вновь производить такие же изменения, называются ферментативными процессами. Ферментом, или деятелем, вызывающим изменение, может быть или химическое вещество, как, например, птиалин в слюне, диастаз в солоде, или же это может быть живое существо, как, например, дрожжевые клетки при спиртовом брожении. Поэтому различают ферменты организованные (живые организмы) и неорганизованные (химические вещества). Шлезингу и Мюнцу оставалось узнать, производится ли окисление аммиака организованным или же химическим ферментом. Для этого они воспользовались открытием одного из них, Мюнца, сделанным раньше. Мюнц нашел удобное средство для определения того, происходит ли ферментация под влиянием организованного или химического фермента: если в среду, где происходит процесс, пропустить воздух, содержащий пары хлороформа, то последний убивает живые организованные ферменты, а оставляет без изменения ферменты химические. Пропустивши в цилиндры, где образовалась азотная кислота, воздух с парами хлороформа, Шлезинг и Мюнц нашли, что превращение аммиака в азотную кислоту производится организованным ферментом, живым существом, потому что после пропускания хлороформа образование азотной кислоты прекращалось.
Это было открытие замечательной важности как в практическом, так и в научном отношении. До того времени известно было участие живых организмов только при изменении сложных органических соединений, между тем как здесь обнаружено было их действие при изменении довольно простого минерального вещества в другое минеральное вещество, и самый процесс представляет, повидимому, простое окисление.
Для практики открытие это важно потому, что, узнавши причину образования азотной кислоты в почвах, можно несравненно легче управлять этим процессом и пользоваться им. Для полноты исследования необходимо было узнать самый организм и определить, при каких условиях он может жить и производить азотную кислоту из аммиака. Шлезинг и Мюнц, исследовавши жизненные условия различных низших организмов (низших грибов), нашли, что они не способны окислять аммиак, но что даже азотную кислоту они потребляют как питательное вещество, превращая ее в органические соединения; так что способность образовать азотную кислоту присуща только определенным организмам.
С помощью средств, обыкновенно употребляющихся в подобных случаях, Шлезинг и Мюнц отделили организм, образующий азотную кислоту, от всех других, находящихся в почве, и могли потом разводить его в жидкостях, где, кроме него, никаких других организмов не было. Оказалось, что организм этот есть бактерия; он имеет вид очень мелких овальных клеточек, сильно щ еломля- ющих световые лучи и потому под микроскопом кажущихся блестящими. Размножаясь в жидкостях, он окислял аммиак в азотную кислоту совершенно так же, как это делается в почве.
При исследовании жизненных потребностей этой бактерии найдено, что она может существовать и размножаться, а следовательно, и образовать азотную кислоту только при следующих условиях: 1. В почве или в жидкости должны быть органические вещества, необходимые для питания бактерии. Такими питательными веществами для нее могут быть сахар, глицерин, перегнойные вещества и др. 2. Жидкость или почва должны иметь или слабо щелочную или среднюю реакцию. В средах, содержащих избыток кислоты или довольно сильный избыток щелоча, бактерия жить не может. Так как образование азотной кислоты есть вместе с тем уничтожение в жидкости или в почве щелочи, то необходимо присутствие такого вещества, которое бы могло нейтрализовать образующуюся кислоту и кислоту, освобождающуюся из соединения с аммиаком. Лучшим средством для этого является углекислая известь, и, кроме того, в почве ту же роль могут играть цеолиты. Очевидно, что избыток извести или цеолитов сверх необходимого количества не будет способствовать образованию азотной кислоты. 3. Бактерия для обнаружения своего действия требует присутствия кислорода. Впрочем, как показали потом исследования Варингтона, продолжительное существование при полном доступе воздуха, по видимому, ослабляет окислительную способность бактерии. Кислород уменьшает ферментативную деятельность этой бактерии, подобно тому, как он действует на многих других бактерий. Бактерия, долго живущая при полном доступе воздуха, начинает окислять аммиак только в азотистую кислоту. Из этого можно видеть, что почва представляет наиболее благоприятные условия для деятельности селитряной бактерии, потому что доступ воздуха к ней в почве до некоторой степени ограничен. Вместе с тем понятно, что она может находиться и действовать только в верхних слоях почвы. 4. По исследованиям Варингтона, свет вредит деятельности бактерии; почва, стало быть, и в этом отношении представляет для нее наиболее благоприятные условия. 5. Бактерия может жить и окислять аммиак только при известных температурах: наиболее сильно она действует при 37°, но при 5 и при 55° действие ее прекращается. Поэтому в природе образование азотной кислоты начинается весной и оканчивается осенью, становясь постепенно наиболее сильным к жаркому времени года и так же постепенно ослабевая по мере уменьшения температуры. 6. Не только нагревание до 100°, но даже и простое высушивание умерщвляет бактерию.
В почвах селитряная бактерия находится в громадных количествах: очень трудно взять такое малое количество почвы, в котором бы этой бактерии не было; обыкновенно же, взявши ничтожное количество земли, мы можем быть уверены, что селитряная бактерия в нем есть; что п составляет причину, по которой окисление аммиака в почвах происходит с большой быстротой. По исследованиям Лооза, Жилъберта и Варингтона, если бы на десятине в лето разложилось до 300 пудов сухого растительного вещества, подобного сену, причем весь азот превратился бы в аммиак, то весь аммиак в то же время успел бы окислиться в азотную кислоту.
Указанными жизненными условиями селитряной бактерии вполне объясняются все случаи, при которых происходит усиление или ослабление в образовании селитры; оно может быстро происходить только во влажных, достаточно согретых почвах, между частицами которых содержится достаточное количество воздуха. В почвах торфяных, содержащих значительное количество свободных кислот, азотная кислота образоваться не может. Известкование таких почв может способствовать образованию в них азотной кислоты; в почвах, содержащих хотя небольшое количество углекислой извести или достаточное количество цеолитов, известкование не может оказывать никакого влияния на образование азотной кислоты и т. д. Одним словом, на основании сведений о жизненных потребностях селитряной бактерии мы не только можем судить о быстроте образования азотной кислоты в частных случаях, но можем указать и меры для усиления или ослабления этого процесса.
Постоянное превращение аммиака в азотную кислоту вполне объясняет, почему в почвах мы находим всегда только ничтожное количество аммиачных солей. Некоторое количество аммиака и азотной кислоты всасывается из почвы растениями, превращается в них в сложные органические соединения и снова попадает в ту же почву (если почвой не пользуются), или же свозится с полей и поступает в почву только отчасти, в виде удобрений, или остается ней в виде урожайных остатков. При сельскохозяйственном пользовании почвой различные растения оказывают неодинаковое влияние на азотистые соединения почвы.
Если на данном участке произрастают растения многолетние, то всегда количество азота в почве возрастает, как это доказывается исследованиями Фелькера, Жули, Дегерена и некоторыми другими. Причина такого накопления азота заключается именно в том, что многолетние растения постоянно пользуются питательными веществами, находящимися в почве. Ранней весной, как только температура почвы будет допускать гниение органических веществ и образование азотной кислоты, многолетние травы начинают уже пользоваться этими питательными веществами, и так продолжается до скашивания травы. После уборки других растений пользование питательными веществами почвы прекращается; после скашивания травы вырастает отава, и питательные вещества почвы продолжают всасываться и превращаться в органические соединения, и так продолжается до глубокой осени, когда низкая температура препятствует гниению органических веществ и образованию азотной кислоты. Таким образом, на участках с многолетними травами из почвы не может выщелачиваться азотная кислота в больших количествах, потому что ее вообще не может накопляться много; кроме того, почва под растительностью (как мы увидим потом) высыхает сильнее и, следовательно, меньше пропускает сквозь себя воды; наконец, при отсутствии разрыхления почва становится сравнительно плотной и пропускает сквозь себя труднее воду, между прочим, и по этой причине.
При большей сухости и плотности в почве не могут быстро совершаться процессы гниения, а потому аммиак и азотная кислота не могут образоваться в больших количествах в короткие промежутки времени, и, следовательно, растения всегда имеют возможность потреблять значительную часть запаса азотной кислоты. Все это, взятое вместе, приводит к тому, что приход азота в почву в виде аммиака и азотной кислоты и образование органических соединений превышают расход азотной кислоты выщелачиванием. Так продолжается до тех пор, пока содержание органических веществ повысится настолько, что весь аммиак, образующийся при гниении (и происходящая из него азотная кислота), не будет поглощаться растениями в достаточном количестве. Кроме того, в почве произойдут некоторые изменения (главным образом уплотнение), вследствие которых урожаи трав сделаются меньше, и тогда в почве наступит равновесие между приходом и расходом соединений азота.
Потребление азотной кислоты растениями составляет только одну из причин уменьшения в почве количества этой кислоты; другая причина, проявляющая свое действие постоянно и на всякого рода почвах, есть выщелачивание из почвы азотной кислоты (как вещества непоглощаемого) водой, которая просачивается сквозь почву.
Количество азотной кислоты, теряемое почвой при этом процессе, вообще весьма значительно. Оно определяется (при одинаковых других условиях), конечно, тем, насколько богата почва азотной кислотой; но, как показывают исследования Лооза, Жильберта и Варингтона, бывает велико даже и в тех случаях, когда почва ничем не удобряется. Названные ученые в своей последней работе дают следующие средние величины потерь азотной кислоты с различных опытных участков выщелачиванием (оно определялось количеством азотной кислоты в дренажных водах).
В течение года выщелачивалось азота в виде азотной кислоты (фунтов на десятину): На неудобренной 88 ф. азота в виде 86 ф. азота в виде почве удобрениями аммиака азотной кислоты 44,8 50,0 84,9 174,9 Следовательно, потеря азота в дренажных водах даже на таких почвах, которые не получали азота в удобрениях, доходила до 45—50 ф. в год; в большинстве случаев (даже и на неудобряемых почвах) потеря азота этим путем была более количества азота, содержавшегося в урожаях. Нам чрезвычайно важно (как увидим ниже) проследить судьбу этой азотной кислоты. Просачиваясь сквозь почву с водой, она появляется потом на поверхность с той же водой в ключах, ручьях, речках и т. д., где отчасти потребляется на питание водных растений, отчасти же уносится в моря и океаны. Соответственно составу просачивающейся сквозь почву воды в ключах, ручьях, реках, колодцах и т. п., одним словом, во всех материковых водах (за исключением соленых, серных озер и, может быть, некоторых других водовместилищ) содержится, подобно тому как и в почвах, гораздо больше азотной кислоты, чем аммиака, и притом содержание азотной кислоты в этих водах весьма велико. Так, Буссенго при анализах воды Сены и Рейна нашел: Миллиграммов в литре .„„„.„„ Азотной Аммиака кислоты Сены в 1857 г от 0,2 до 0,5 1,1 » » 1876 » 0,12 5,6 Рейна от 0,17 до 0,49 1,20
Принимая в расчет количество воды, выносимой в море Сеной и Рейном, на основании приведенных анализов Буссенго можно вычислить, что Сена ежегодно приносит в море не менее 10 миллионов фунтов, а Рейн до 100 миллионов фунтов азотной кислоты в год. Из этого видно, что реки приносят в морскую воду весьма большие количества азотной кислоты, и так как соли ее не летучи, то можно думать, что в морях должно происходить накопление азотной кислоты. Судя по составу речной воды, притекающей в моря, во всяком случае, можно ожидать, по крайней мере, что в морской воде должно содержаться больше азотной кислоты, чем аммиака. На самом деле при анализах морской воды замечается обратное: мы находим в ней заметные количества аммиака и совсем не находим или находим только ничтожные следы азотной кислоты. Отношение между аммиаком и азотной кислотой в морях подобно отношению между этими веществами в атмосферном воздухе. Таким образом, мы находим, что в почвах и материковых водах азотная кислота по количеству преобладает над аммиаком; в воде морей и океанов и в атмосферном воздухе, наоборот, аммиак находится в преобладающем количестве, сравнительно с азотной кислотой.
Мы не знаем причин, почему в морской воде содержится меньше азотной кислоты, чем аммиака, между тем как в моря притекает больше азотной кислоты, чем аммиака. Вероятнее всего, что из морской воды азотная кислота поглощается водорослями и выделяется при гниении их после смерти уже в виде аммиака.
Еще Буссенго указал на то, что морская вода может служить источником, из которого получается аммиак атмосферным воздухом. Найдя в морской воде 0,2 мг аммиака в литре, Буссенго говорит: «содержание это, без сомнения, весьма незначительно; но так как океан покрывает около 3/4 земной поверхности, то, если принять в расчет его массу, будет позволительно считать его неисчерпаемым источником аммиачных солей, из которого атмосфера пополняет потери, постоянно происходящие в ней».
В другом месте Буссенго говорит об этом подробнее на основании своих исследований над испарением воды, содержащей аммиак. Перегоняя 1 л рейнской воды, содержащий 0,17 мг аммиака, Буссенго нашел в первой порции полученной при перегонке, 0,13 мг аммиака в 0,1 л. Следовательно, в остальных 0,9 л осталось только 0,04 мг аммиака. Из этого Буссенго сделал заключение, что и при испарении воды в природе улетучивающиеся пары содержат больше аммиака, чем та вода, при которой они образовались, и подтвердил это заключение следующим опытом. Литр чистой воды, к которой прибавлено было 12 мг аммиака, был выставлен на воздух в плоской чашке. Через месяц жидкость испарилась наполовину, и в оставшейся воде определено было содержание аммиака. Если бы аммиак улетучивался в такой же пропорции, в какой он содержался в воде, то оставшаяся жидкость содержала бы 6 мг аммиака; между тем в ней было только 4 мг. «Удалившиеся пары,—говорит Буссенго,—если бы они сгустились, дали бы -0,5 л воды, содержащей 8 мг аммиака, или 16 мг на литр, т. е. гораздо более того, что содержалось в испарившейся воде... Таким образом, может быть, сделается понятным, почему дождевая, снеговая вода, туманы и т. п. содержат гораздо больше аммиака, чем ключевая и речная вода».
Эти соображения и исследования в недавнее -ъремя расширены Шлезингом, работа которого по этому предмету принадлежит к числу остроумнейших исследований по земледельческой химии вообще.
Шлезинг обратил внимание на то, что если аммиак улетучивается при испарении воды, то он должен находиться в ней в виде летучей соли (в виде углекислого аммиака); при малом содержании этой соли в воде и воздухе она должна относиться к обеим средам, как газ. Поглощение газов водой (при отсутствии химического взаимодействия между ними) пропорционально давлению этого газа и изменяется с температурой, уменьшаясь при ее возрастании и увеличиваясь при ее понижении. Следующие опыты, произведенные при очень малых содержаниях аммиака в воздухе и с морской водой, показали, что вода, действительно, поглощает (при одинаковых температурах) количества аммиака, пропорциональные содержанию его в воздухе; именно, поглощалось одним литром морской воды из воздуха: При содержании аммиака в 1 куб. м воздуха 0,06 мг 0,03 мг 0,015 мг Температура в градусах Mr NH3 Температура в градусах Mr NH3 Температура в градусах Mr NH3 — 0,8 5,4 13,2 20,2 14,60 10,86 4,21 2,45 — 0,1 6,0 11,8 23,4 7,37 5,46 2,45 0,81 0,2 6,6 19,6 3,76 2,69 При близких температурах морская вода поглощала из воздуха с 0,06 мг аммиака приблизительно вдвое бол§е аммиака, чем из воздуха с 0,03 мг аммиака,, и вчетверо более,чем из воздуха с 0,015 мг аммиака в 1 куб. м, т.е. поглощение было пропорционально давлению.
Вместе с тем таблица эта показывает, что поглощение аммиака водой из того же самого воздуха при возрастании температуры быстро уменьшается. На основании предыдущей таблицы можно вычислить, что от нагревания воды от —0,8 до 5,4° (на 6,2°) из воды выделилось в воздух 25,6% находившегося в ней аммиака; при нагревании воды от —0,1 до 6° (на 6,1°) из воды выделилось 25,9% бывшего в ней аммиака и т. д. Из всего этого следует, что в морской воде поглощенный аммиак содержится, действительно, в виде углекислой солиг и заключение это подтверждено, кроме того, опытами с чистой водой, которые дали совершенно такие же результаты, как и морская вода, а этого не могло бы быть, если бы соль аммиака не была в обоих случаях одна и та же.
На основании своих опытов Шлезинг вычислил, что содержание аммиака во влажном воздухе при постепенном охлаждении его от 20° и при сгущении каждый раз одного грамма воды, изменяется следующим образом (первоначальное содержание аммиака в воздухе =1):
Температура в градусах Вода в количестве 1 г каждый раз сгущает NH3 В воздухе остается NH3 Температура в градусах Вода в количестве 1 г каждый раз сгущает NH3 В ВОЗД5\е остается NH, 11,30 9,80 8,20 6,20 3,80 1,20 0,059 0,064 0,071 0,079 0,081 0,072 18,9° 17,85 16,72 15,60 14,30 12,80 0,960 0,918 0,874 0,827 0,777 0,723 0,664 0,600 0,529 0,450 0,369 0,297 0,040 0,042 0,044 0,047 0,050 0,054
Следовательно, при охлаждении воздуха от 20° до 1,2° 12 г воды будет сгущено 0,/0d, или более 2/3. Остается в воздухе 0,297, или менее
На основании этих исследований сделаны весьма важные заключения об обмене аммиака между атмосферой и морской водой, показывающие, что выделение аммиака из морской воды в атмосферу определяется морскими течениями, а поглощение аммиака водой, сгущающейся в воздухе, определяется метеорологическими условиями. Из этого следует, что для каждой местности количество аммиака, выпадающего с дождями, росой и т. д., хотя из года в год может подвергаться значительным изменениям, но в среднем выводе за много лет оно должно представлять величину постоянную, подобно климатическим факторам— температуре, количеству атмосферных осадков и т. п.
При сгущении воды в воздухе, как можно видеть из исследований Шлезинга, никогда из воздуха не поглощается весь аммиак: он всегда распределяется между водой и воздухом сообразно температуре, при которой происходит сгущение. В климате сравнительно холодном, при низкой температуре воды и воздуха вода содержит сравнительно много аммиака, и в воздухе остается его мало. Представим себе течение воды к экватору из холодного пояса; при этом будет происходить нагревание воды и, следовательно, выделение из нее аммиака. Воздух под тропиками сообразно с этим будет богаче аммиаком, чем воздух холодных стран. Воздух из-под тропиков, богатый аммиаком и парами воды, уносится верхними течениями в пояса более холодные; 'здесь сгущение воды при более низкой температуре будет сопровождаться поглощением аммиака из воздуха, и этот поглощенный водой аммиак будет принесен в почву, когда сгустившаяся вода спадет в виде дождя.
Аммиак, не поглощенный сгущающеюся атмосферной водой, поглощается почвой непосредственно из воздуха, а также и водой рек, озер и пр., если содержание его в воздухе будет превышать тот предел, при котором существует равновесие в распределении аммиака между воздухом и водой. Воздух, лишенный здесь значительной части аммиака, снова движется к тропикам, обогащается там аммиаком и притекает в более холодные пояса, чтобы снова отдать часть аммиака воде и почве. В почве аммиак будет окислен, и избыток образовавшейся азотной кислоты снова попадет в ручьи, реки и, наконец, в моря, где азотная кислота превратится в аммиак и снова попадет в воздух, а из него опять в почву и т. д. Таким образом, постоянно существует обмен соединений азота между морями, атмосферой и почвой, и соединения эти совершают полный круговорот, переходя из одной среды в другую и т. д. Так как над каждой местностью в среднем выводе за много лет сгущается ежегодно определенное количество воды при сходных условиях и воздух притекает в среднем выводе одинаково богатый аммиаком, то понятно, что в среднем выводе и количество аммпака, получаемого почвой из атмосферы, должно быть одинаково; оно, как мы сказали выше, определяется климатическими условиями данной местности.
Вода, сгущаемая в атмосфере до твердого состояния и выпадающая в виде снега, как показали исследования Шлезинга, не может поглощать из воздуха газообразного (углекислого) аммиака; снег может только механически захватывать находящийся в атмосфере в виде кристалликов азотнокислый аммиак. Только мокрый снег, содержащий жидкую воду, может быть богат аммиаком. Этим объясняются некоторые наблюдения, по которым только что выпавший сухой снег совсем не содержит аммиака.
Относительно соединений азота остается разрешить вопрос чрезвычайной важности в теоретическом отношении. Исследования и соображения Шлезинга, только что изложенные нами, показывают, что содержание аммиака в воздухе поддерживается приблизительно на одном уровне, благодаря значительным количествам его в морской воде. Запасы его в океанах весьма значительны. Если положить среднюю глубину морей около 1 версты, то, при равномерном содержании в ней 0,4 мг аммиака в литре, на каждой десятине моря (на всей его глубине) находилось бы 260 пудов аммиака. Хотя количество это, по сравнению с теми количествами аммиака и азотной кислоты, которые действуют в почвах, весьма велико, но оно не чрезмерно велико; поэтому представляет большой интерес решение вопроса о том, остается ли количество соединений азота на земле постоянным, или же оно изменяется.
Мы знаем процессы, при которых органические азотистые соединения, аммиак и азотная кислота разлагаются, выделяя свободный азот; процессы эти увеличивают количество свободного азота и уменьшают количество его, находящееся в разных соединениях. Спрашивается, существуют ли процессы обратные, при которых бы, наоборот, свободный азот образовал аммиак и азотную кислоту, или такие соединения, из которых эти вещества могут образоваться? Для того чтобы на земле органическая жизнь была обеспечена на продолжительное время, необходимо постоянное образование соединений из свободного азота в довольно значительных размерах, потому что превращение азотистых соединений в свободный азот происходит постоянно и в значительных размерах.
Еще в недавнее время думали, что превращение азота в аммиак и азотную кислоту происходит повсюду и постоянно. Именно, Шенбейн нашел, что испарение воды при различных процессах неизменно сопровождается образованием аммиака и азотистой кислоты, по уравнению: 2N + 2HsO = NH3HN02 '
Точные исследования Кариуса, при которых был прекращен доступ атмосферного аммиака к испаряющейся воде, показали, что при испарении воды не могут из свободного азота образоваться его соединения и, стало быть, заключение Шёнбейна основано было на неточных опытах и потому ошибочно.
Полагали, кроме того, что при действии электрических разрядов во время гроз происходит соединение атмосферного кислорода и азота, и этим объясняли существование в воздухе азотной кислоты. По исследованиям оказалось, однако, что при электрических разрядах происходит окисление атмосферного аммиака, но не свободного азота, так что атмосферное электричество не увеличивает количества соединенного азота, а только из одного азотистого соединения образует другое.
Существовало еще мнение, что при пропускании свободного азота через пористые тела, подобные почве, образуются соединения азота. Но мы уже видели выше, что при точных опытах это мнение не подтвердилось и что оно возникло только вследствие ошибок при опытах для решения этого вопроса.
Одним словом, положение вопроса в настоящее время таково, что мы не знаем процессов, при которых бы свободный азот, хотя в небольших количествах, но постоянно превращался в азот соединенный. Это привело некоторых ученых к заключению (такое заключение высказано недавно Мюнцем), что соединения азота образовались в прежние геологические эпохи или же при самом образовании земли, при условиях нам не известных и в настоящее время не существующих. С того времени происходит только постоянная и ничем не вознаграждаемая убыль соединенного азота.
Нельзя сказать, что такое безотрадное заключение несправедливо; но нельзя не сказать также, что мы не имеем достаточных оснований для того, чтобы притти к подобному заключению. Мы могли бы высказать его, не рискуя ошибиться, если бы могли иметь уверенность в том, что всевозможные способы образования азотистых соединений из свободного азота нами исследованы; уверенности в этом у нас, однако, быть не может.
Мы знаем только, что некоторые предполагавшиеся способы образования азотистых соединений из свободного азота оказались несуществующими, и из этого никак нельзя выводить заключения, что и вообще совсем нет этих способов. В этом случае, как и во многих подобных ему, единственное правильное заключение состоит в признании нашего незнания, но никак не в выводе заключений, которые пока ничем не могут быть доказаны. Уже в настоящее время исследования Вертело показали, насколько поспешны были заключения Мюнца.
|
|
|
|
К содержанию книги: П. А. Костычев - Курс лекций по почвоведению
|
Последние добавления:
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы
Происхождение и эволюция растений
Биографии ботаников, биологов, медиков