UniversityAgro.ru » Земледелие » Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы — совокупность органических веществ, находящихся в виде гумуса, остатков животных и растений в почве, представляющая комплекс сложных химических органических веществ биогенного происхождения.

Биологические показатели плодородия почвы — количество, состав и свойства органического вещества в почве.

Запас органического вещества почвы является ключевым показателем плодородия.

Значение органического вещества

Органическое вещество почвы аккумулирует в себе запасы углерода, азота, калия, фосфора, микроэлементов, способствует созданию оптимальных режимов почвы и структуры, препятствует эрозионным процессам, ослабляет действие токсичных веществ. Органические вещества регулируют расход элементов питания, предотвращая непроизводительные потери от вымывания, образования газообразных продуктов и труднорастворимых минеральных соединений, увеличивают эффективность минеральных удобрений. 

Оно является единственным источником энергии для жизнедеятельности почвенной микрофлоры и биоты, участвует в саморегуляции разложения, способствуя инактивации глинистыми минералами ферментов выделяющихся микроорганизмами. Почвы с высоким содержанием гумуса биологически активнее: в них больше численность микроорганизмов, разнообразнее их видовой состав, интенсивнее образуется углекислый газ CO2, повышена ферментативная активность. 

Органическое вещество участвует в формировании почвы, что обусловлено его способностью связываться минеральной частью почвы. Образующиеся при этом органо-минеральные соединения — представляют почвенный поглотительный комплекс — важнейшее свойство любой почвы. Формы органо-минеральных соединений могут быть комплексами с катионами металлов, гидроксидами, анионами, силикатами и т.д. Почвенные минералорганические комплексные соединения являются примером таких форм.

Обязательным условием ведения стабильного земледелия является воспроизводство органического вещества, что означает одновременное воспроизводство биологических, агрофизических и агрохимических факторов плодородия.

Гумус является отличным поглотителем воды — 1 г гумуса способен поглощать от 4 до 20 г воды, которая доступна растениям. Это свойство зависит от наличия гуминовых кислот.

Содержание гумуса является показателем потенциального плодородия почвы и активности всех биологических процессов. Гумус составляет 85-90% от общего количества органического вещества почвы. От содержания, состава и свойств гумуса зависят температурный, воздушный, питательный режимы, водно-физические свойства, поглотительная способность, буферность почв, общие и подвижные запасы питательных веществ и удобрений, превращения и передвижения питательных элементов. Подвижные формы гумуса из-за медленного разложения участвуют в питании растений в меньшей степени, чем негумифицированные вещества, но создают для этого процесса благоприятную среду.

Содержание органического вещества в пахотном слое различных типов почв сильно варьирует — от очень низкого (менее 1,0%) до высокого (более 10%). Обогащение почвы органическим веществом уменьшает потери питательных веществ удобрений в результате миграционных процессов, тем самым уменьшает и негативное воздействие на окружающую среду. Циклические процессы синтеза и трансформации органических веществ в почве являются основой биогеохимических круговоротов биофильных элементов и играют важную роль в воспроизводстве плодородия почв.

  1. Органическое вещество почвы служит источником питания растений. В нем содержатся 98-99% азота, 30-40% — фосфора, 90% серы от общего их содержания в почве.
  2. Гуминовые кислоты, фульвокислоты и другие гумусовые вещества, а также углекислота, постепенно разрушают силикаты и алюмосиликаты, трансформируют в доступную для растений форму карбонаты кальция и магния, фосфаты и другие соли.
  3. Органические вещества служат питательной средой для микроорганизмов.
  4. Гуминовые кислоты в высокодисперсном состоянии, некоторые органические кислоты, ферменты, антибиотики, витамины, являются стимуляторами роста растений, в том числе в условиях водной и песчаной культур.
  5. Органическое вещество почвы повышает поглотительную способность и буферность, улучшает агрофизические свойства;
  6. Органическое вещество почвы способно регулировать водно-физические свойства почв, трансформировать избыточное количество минеральных удобрений, инактивировать тяжелые металлы, пестициды и их метаболиты, задерживая их поступление в растительную продукцию, поверхностные и внутрипочвенные воды.

Истощение почв органическим веществом приводит к ухудшению водно-физических, химических и биологических свойств. Благодаря высокой емкости поглощения, гумус удерживает от миграции по профилю почвы катионов, усиливает биологическую активность, поглощает токсические вещества и тяжелые металлы, препятствуя их поступлению в грунтовые воды и растения.

Состав органического вещества почвы

Органическое вещество почвы, или гумус, подразделяют на две группы:

  1. гумусовые, или перегнойные, вещества специфической природы, устойчивые к разложению, свободные и связанные фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин;
  2. негумифицированные, или неспецифические, вещества растительного и животного происхождения и промежуточные продукты их разложения, например, клетчатка, целлюлоза, белки, пептиды, крахмал и другие полисахариды, органические кислоты и аминокислоты, жиры, воска, смолы, альдегиды, полиуроновые кислоты, полифенолы, лигнин, хитин, дубильные вещества и др. На долю этой части органического вещества приходится 10-15% общего запаса его в почве, легко разлагается и является источником питательных веществ для растения.

К неспецифическим также можно отнести вещества, входящие в состав растительных и животных тканей, продукты жизнедеятельности организмов и растений. Неспецифические вещества могут присутствовать в свободном и связанном с минеральными компонентами почвы состоянии. Многие из этих веществ являются питательной средой для микроорганизмов, трансформирующих их в почвенный гумус.

Доля специфических гумусовых соединений составляет 85-90% органического вещества почвы. Они представляют темноокрашенные высокомолекулярные соединения, со сложной химической структурой.

Гумусовые соединения разделяются на гумусовые кислоты (гуминовые и фульвокислоты), прогуминовые вещества — промежуточные соединения гуминоподобных веществ и гумины. Учитывая сложное строение этих веществ, это разделение весьма условно.

Типы почв различаются по содержанию гумуса, по количеству и соотношению гуминовых кислот и фульвокислот. Так, в дерново-подзолистых почвах это соотношение равно 0,4-0,6, в черноземах — 1,0-1,5 и более. Эти различия обусловливают более высокую подвижность органического вещества и, следовательно, азота в дерново-подзолистых почвах.

Гумусовые вещества

Гумус подразделяется на три группы:

  • гуминовые кислоты,
  • фульвокислоты,
  • гумины.

Гумусовые вещества почвы могут находиться в виде гуматов кальция, магния, натрия; гуматов и смешанных солей с гидроокисью алюминия и железа; комплексных органоминеральных соединений с алюминием, железом, фосфором и кремнием. Эти соединения могут поглощаться глинистыми минералами, особенно прочно с минералами типа монтмориллонита. С каолинитом или полевыми шпатами связь менее прочная. Образование органоминеральных соединений в почве способствует закреплению гумуса.

Гуминовые кислоты

Гуминовые кислоты — фракция высокомолекулярных органических соединений, извлекаемых из почвы щелочными растворами. Темноокрашены, содержат азот, не растворяются в кислотах, растворимы в растворах пирофосфатов, оксалатов, фторидов и аммиака с образованием растворимых солей — гуматов. Подкисление щелочного раствора гуминовых кислот приводит к выпадению осадка в виде гуматов. Валовый состав гуминовых кислот включает 46-62% углерода, 32-38 — кислорода, 3-5 — водорода, 3-6% азота. В небольших количества содержит серу (от 0,1 до 1,2%), фосфор (менее 1%), некоторые металлы.

В зависимости от концентрации и типа почвы гуматы могут иметь окраску от вишнево-коричневой до черной.

В состав гуминовых кислот входят: углерод — 52-62%, водород — 2,8-5,8, кислород — 31-39, азот — 1,7-5%. Соотношение элементов зависит от типа почвы, химического состава разлагающихся остатков и условий гумификации. Наибольшее содержание углерода в гуминовых кислотах отмечено в черноземах. Сельскохозяйственное производство практически не влияет на их элементный состав. В состав гуминовых кислот также входят небольшие количествах (от 1 до 10%) фосфора, серы, алюминия, железа, кремния.

Молекула гуминовой кислоты представляет собой ядро, состоящее из ароматических и гетероциклических колец (бензольных, фурановых, пиридиновых, нафталиновых, антроценовых, гендоловых, хинолиновых и других), соединенных между собой, и периферическими алифатическими цепочками, концы которых часто заканчиваются карбоксильными (по этой причине они и называются кислотами) и гидроксильными/фенольными группами. Ядро молекулы проявляет гидрофобные (водоотталкивающие) свойства, тогда как периферические цепочки — гидрофильные.

В гуминовые кислоты входят следующие функциональные группы:

  • 3-6 гидроксидные группы фенолов (-ОН),
  • 3-4 карбоксильные (-СООН),
  • первичные и вторичные спиртовые (-ОН),
  • метоксильные (-O-СН3),
  • карбонильные (-С=O).

Эти функциональные группы определяют свойства гуминовых кислот и характер взаимодействия с почвой. Так, карбоксильные группы определяют кислотные и обменные свойства.

Фульвокислоты

Фульвокислоты — высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, кислотного характера. Растворимы в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, пирофосфата натрия, в водном растворе аммиака, образуя при этом растворимые соли — фульваты, а также многих органических растворителях. Окрашены в оттенки от соломенно-желтого до оранжевого и бурого. Валовый элементный состав фульвокислот: углерод 36-52%, кислород 42-52%, водород 3-6%, азот 2-6%. Содержат в меньших количествах серу, фосфор и некоторые металлы. Подвижны и относительно легко перемещаются по профилю почвы.

Фульвокислоты, обладая сильно кислой реакцией, оказывают разрушающее действие на минеральную часть почвы, которое зависит от содержания гуминовых кислот: чем меньше гуминовых кислот, тем сильнее действие фульвокислот.

Имеют функциональные группы, способные к обменному поглощению катионов с образование солей — фульватов.

Азот фульвокислот легче подвергается кислотному гидролизу. На долю гуминовых кислот приходится 15-30%, а фульвокислот — 20-40% азота почвы.

Гумины

Гумины — органические соединения гумусовой природы, нерастворимые в воде, растворах кислот, щелочей или органических растворителях. Представляет собой комплекс сложных эфиров гуминовых и фульвокислот, химически связанных с глинистыми минералами и минеральной частью, что обусловливает высокую устойчивость к химическому и микробиологическому разложению.

Гумины не могут быть источниками питательных веществ для растений, но благодаря сложной структуре, включающей функциональные группы, служат буфером для удержания в усвояемой для растений форме элементов питания. Азот гуминов составляет 20-30% общего азота почвы. Они влияют на емкость, буферность почв, миграцию и превращение питательных веществ.

Негумифицированные вещества

Негумифицированные вещества составляют 10-20% общего запаса органических веществ почвы и служат источником питательных веществ для растений и биоты. Некоторые из них стимулируют или ингибируют рост и развитие живых организмов, влияют на трансформацию питательных веществ почвы и удобрений из недоступных для растений форм.

От 10 до 30% негумифицированных веществ участвует в новообразовании гумуса. На долю растительных остатков приходится от 3-5 до 12-15 т/га или для дерново-подзолистых почв — до 10%, в черноземах — 2-3% от общих запасов органического вещества. Масса микроорганизмов в 20-ти сантиметровом слое почвы составляет от 0,7 до 2,7 т/га, достигая 5-7 т/га, что составляет 1-3% общих запасов органического вещества.

Дефицит негумифицированных веществ в почвах сказывается на питательном режиме всех организмов.

Свойства гумуса

Важнейшее свойство гумуса — коллоидность. Коллоидные, поверхностно-активные свойства гумуса обусловлены катионо-анионными мицеллами, благодаря которым проявляется высокая активность даже при малой толщине адсорбционных слоев. Это свойства, несмотря на небольшую долю гумуса в твердой фазе почвы, за исключением торфяных почв, имеет значение в питании растений, превращении удобрений и плодородии почв.

Источники поступления органического вещества в почву

Органическое вещество почвы образуется в естественных условиях при отмирании растений, микроорганизмов, почвенных животных и разложении продуктов их жизнедеятельности. 

В условиях пахотных земель основными источником органического вещества служат остатки растений и органические удобрения. Преимущество использования растительных остатков сводится к сокращению затрат на внесение органических удобрений, которое, в отличие от растительных остатков, поступающих ежегодно, может быть не регулярным и равномерном их распределении. 

Растительные остатки можно разделить на:

  • пожнивные — растительные остатки, остающиеся после уборки зерновых культур, включающих части стеблей, листьев;
  • листостебельные — растительные остатки, остающиеся после уборки картофеля, многолетних трав, овощей, корнеплодов, включающих, корневища, корневые шейки, стебли и т.п.;
  • корневые — остатки корней растений, остающихся после уборки.

Поступление органического вещества с растительными остатками происходит в течение всего вегетационного периода, так как процесс отмирания отдельных частей растения происходит постоянно, и особенно после цветения и начала плодоношения. Ежегодно за счет пожнивных и корневых остатков под зерновыми культурами составляет 0,3-0,5 т/га, под пропашными — 0,15-0,25 т/га.

Глубина залегания корневых систем разных культур и также их масса, по-разному сказывается на пополнении органическим веществом почвы. По количеству органического вещества, поступающему с растительными остатками, основные культуры также можно разделить на три группы:

  1. К первой  группе относятся многолетние бобовые и злаковые травы. Они оставляют наибольшее количество корневых и пожнивных остатков. Дополнительно к этому бобовые многолетние культуры за счет свойства азотфиксации пополняют запасы азота почвы.
  2. Ко второй группе относятся однолетние зерновые и зернобобовые культуры сплошного посева. Они оставляют значительно меньше растительных остатков. Однако количество оставляемого органического вещества внутри группе может сильно меняться. Например, райграс и его смеси с бобовыми однолетними культурами оставляет примерно такое же количество растительных остатков, как и многолетние травы. Озимые культуры превосходят яровые зерновые и зерновые бобовые по этому показателю. После уборки однолетних зерновых и зерно-бобовых культур остается 1,5-3,0 т/га органического вещества.

Растительные остатки корневых систем растений второй группы содержат больше азота и фосфора, а в стерне — калия. Такое соотношение углерода и азота делает её более ценным источником органического вещества, чем стеблевых остатков. Применение удобрений способствует большему накоплению в растительных остатках азота и калия, фосфора (в меньшей степени).

  1. К третьей группе относятся пропашные культуры, оставляющие после себя наименьшее количество растительных остатков.

Поступление органического вещества в почву определяется количеством растительных остатков, а его качество и скорость превращения — их химическим составом.

Влажность и обеспеченность питательными элементами определяют мощность развития корневой системы и надземной части. При благоприятных условиях надземная часть наращивается больше, чем корни. В результате соотношение масс корневой системы и надземной части смещается в сторону последней.

Содержание элементов питания больше у многолетних трав, чем у других культур: содержание азота в корневых остатках многолетних бобовых трав составляет 2,25-2,60%, фосфора — 0,34-0,80, в поукосных остатках — 1,82-2,65 и 0,30-0,71% соответственно, у бобово-злаковых травосмесей оно зависит от состава смеси и составляет 0,91-2,37% азота и 0,25-1,06% фосфора, у поукосных остатков — 1,60-2,18 и 0,17-0,54% соответственно. Содержание азота и фосфора мятликовых трав и их поукосных остатков значительно меньше.

На химический состав влияют — возраст корней многолетних трав: чем старше растения, тем ниже содержание азота и зольных элементов; а также удобренность и почвенно-климатические условия.

Растительные остатки однолетних культур (кроме бобовых) и зерновых значительно беднее питательными элементами по сравнению с многолетними травами.

Органическое вещество почвы образуется под действием жизнедеятельности растений, микроорганизмов и почвенной фауны. При достаточном содержании воздуха в почве и оптимальной влажности протекает быстрый аэробный процесс разложения. В условиях недостатка воздуха и избытка влаги происходит анаэробное микробиологическое разложение. Оптимальные условия для разложения органических веществ складываются в структурных, рыхлых, окультуренных почвах.

Положительный баланс достигается при внесении органических удобрений и выращивании многолетних трав. 1 т соломы накапливает до 170-180 кг гумуса, или около 100 кг углерода. Многолетние травы при урожайности сена 4-5 т/га ежегодно накапливают 800-900 кг/га гумуса, или 500-600 кг связанного углерода.

Запас органического вещества в почве

Наибольший эффект положительного влияния органического вещества на урожайность культур достигается созданием оптимального для каждого типа почвы запаса органического вещества. Оптимальным можно считать такое количество органического вещества, состава и качества, который позволяет получать запланированный урожай при эффективном использовании удобрений и технологии обработки почвы.

Для дерново-подзолистых почв можно считать оптимальным содержание гумуса на уровне 2,5-4%. Меньшее содержание органического вещества приводит к снижению продуктивности культур, большее — не создает окупаемую прибавку урожая.

Запас гумуса — один из важнейших показателей гумусового состояния почвы. Запас гумуса зависит от мощности пахотного слоя и его плотности. В почвах легкого гранулометрического состава запас гумуса как правило ниже, чем в аналогичных более тяжелых почвах. Однако за счет более мощного пахотного слоя запас в легких почвах может превышать запас гумуса в тяжелых.

Согласно исследованиям Л.А. Гришиной и Д.С. Орлова, запас гумуса в 20 см пахотном слоя оценивается как: очень низкий — при запасе менее 50 т гумуса на 1 га, низкий — при 50-100, средний — при 100-150, высокий — при 150-200, очень высокий — при более 200 т/га.

Количество гумуса в почве различно и зависит от ряда факторов, типа почвы, природно-климатических условий, севооборота, системы земледелия. Наибольшее содержание гумуса приходится на верхние слои почвы, вниз по профилю содержание органических веществ снижается.

Таблица. Содержание гумуса в основных типах почв (по И.В. Тюрину)[1]

Почва
Содержание гумуса в пахотном слое, %
Запасы гумуса, т/га
слой 0-20 см (в среднем)
слой 0-120 см
Дерново-подзолистая
2-4
53
80-120
Серая лесная оподзоленная
4-6
109
150-300
Черноземы
выщелоченный
7-8
192
500-600
мощный
10-12
224
650-800
обыкновенный
6-8
137
400-500
южный
4-5
-
300-350
Темно-каштановая
3-4
99
200-250
Каштановая и светло-каштановая
1,5-3
-
100-200
Серозем
1-2
37
50
Краснозем
5-7
153
150-300

Превращение органического вещества в почве

Органическое вещество претерпевает превращение в почве, которое разделено на несколько этапов.

На первом этапе отдельные химические соединения отмершего растения взаимодействуют между собой. Например, белковые соединения растительных клеток могут взаимодействовать с ароматическими веществами клеточных оболочек. Этот процесс может ускоряться под действием биологических и минеральных катализаторов.

На втором этапе происходит поглощение и механическое перемешивание почвенной фауной растительных остатков с почвой. Вероятно, на этом этапе происходят также биохимические реакции превращения первичного органического вещества.

На третьем этапе происходит минерализация органического вещества под действием микробных процессов. В первую очередь минерализуются водорастворимые соединения, крахмал, пектин и белковые вещества. Скорость минерализации целлюлозы и образующегося из неё лигнина значительно ниже.

Конечными продуктами превращения органического вещества являются диоксид углерода, вода, нитраты, фосфаты и др. Продуктами также являются низкомолекулярные органические кислоты: муравьиная, уксусная, щавелевая и др. Процессы минерализации протекают с выделением тепла: при разложении 1 г сухого вещества высвобождается 17-21 Дж энергии.

Часть продуктов разложения органического вещества используется новыми поколениями растений, а также гетеротрофными микроорганизмами для синтеза белков, жиров, углеводов. Другая — превращается в гумусовые вещества.

Гумификация — процесс превращения органического вещества почвы в гумусовые соединения. Гумификация начинается на первом этапе превращения органического вещества почвы.

М.М. Кононовой представлен следующий общепризнанный механизм образования специфических гумусовых веществ:

  1. Исходными веществами для синтеза гумусовых веществ служат любые компоненты разложения растительных тканей и продукты метаболизма микроорганизмов.
  2. Исходные вещества конденсируются (соединяются) путем окисления фенолов под действием феноксидаз до хинонов через стадию образования промежуточных соединений семихинонов. Хиноны вступают в реакцию с аминокислотами и пептидами.
  3. Поликонденсация (полимеризация) соединений, образованных на второй стадии, приводит к образованию гумусовых веществ.

Данный механизм не единственный. Л.Н. Александрова, развивая предположение академика И.В. Тюрина, предлагает иной механизм гумификации, заключающийся в медленном биохимическом окислении высокомолекулярных циклических соединений с последующей их поликонденсацией.

На скорость и характер превращения влияют внешние условия среды: влажность, кислотность почвы, температура, доступность воздуха и питательных веществ), а также химический состав растительных остатков.

Соотношение углерода и азота в растительных остатках влияют на темпы разложения. Быстрое разложение обеспечивается узким соотношением C : N, что свойственно, например, растительным остаткам клевера; менее интенсивно этот процесс протекает с растительными остатками зерновых культур и викоовсяной смеси. Органические и минеральные удобрения ускоряет разложение остатков. В дерново-подзолистых почвах до 30-60% растительных остатков разлагаю в течение одного года.

На поверхности структурных агрегатов (комочков) почвы протекает аэробный процесс разложения органического вещества, а внутри агрегатов, где складывается дефицит воздух из-за насыщения капилляров водой — анаэробный процесс. На полноту и характер разложения влияют температура, реакция почвы, наличие органического вещества и наличие минеральных веществ для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Относительно быстро разлагаются в почве простые сахара и белки. Смолы и воски устойчивы к разложению микроорганизмами, наиболее устойчив лигнин, из которого образуется темноокрашенное сложное комплексное вещество, являющееся ядром молекул гумуса.

При разложении лесной подстилки грибной флорой в аэробных условиях образуются растворимые бесцветные фульвокислоты. При бактериальном разложении остатков травянистых растений — малорастворимые, темноокрашенные гуминовые кислоты.

Изменение состава растительных остатков из-за различных скоростей и полноты разложения составных частей и деятельности микроорганизмов приводит к новообразованию специфических перегнойных веществ.

Процессы разложения органического вещества почвы определяются микроорганизмами. Их состав и численность зависит от типа почв и степени окультуренности. Чем выше окультуренность, тем больше содержится полезных микробов. Масса микробов на 1 га составляет 5-7 т. Микроорганизмы — наиболее энергичная и подвижная часть почвы. Их роль в почвенных процессах и питании растений связана с ферментативным действием на мертвый субстрат почвы и огромной активной поверхностью, на которой протекают различные биохимические реакции.

Общая поверхность микробной флоры на 1 га составляет около 500-600 га. Превращения вносимых удобрений также связаны с жизнедеятельностью почвенной биоты.

Потери органического вещества

Наибольшие потери органического вещества почв наблюдаются при возделывании пропашных культур и введении чистых паров, что объясняется многократной обработки и высокой аэрации почвы, создающие благоприятные условия для минерализации.

Потери органического вещества под зерновыми культурами при невысокой интенсивности обработки почвы составили 0,4-1,0 т гумуса на гектар в течение года, под пропашными культурами — в 1,5-3 раза выше.

Пахотные культуры являются главным фактором воспроизводства органического вещества в пахотных почвах. Если в естественных условиях вся растительная масса поступает в почву и накапливает в верхнем слое углерод, азот и другие питательные вещества, то в агроценозах с растительной массой и урожаем отчуждается значительное количество питательных элементов, что не может не создавать бездефицитный баланс.

В естественных фитоценозах, представленных в основном многолетними растениями, вынос питательных веществ значительно ниже, чем в агрофитоценозах с однолетними культурами, потребляющими на единицу зеленый массы больше питательных веществ. В следствие этого, в пахотных почвах при недостаточном внесении удобрений происходит истощение запасов органического вещества и зольных элементов. Истощение почв может быть сокращено путем применения направленных агротехнических приемов, уменьшающих отрицательное действие от обработки почвы на баланс.

Отдельные культуры, возделываемые в агрофитоценозах, способны оказывать положительное влияние на запасы гумуса и отдельные свойства почвы, однако и в этом случае без применения удобрений баланс органического вещества остается отрицательным. 

Несмотря на большие различия в количественном и качественном составе гумуса различных почв, динамика органического вещества в целом одинакова. Например, в длительном опыте МСХА возделывание однолетних растений в севообороте и бессменно без применения удобрений на дерново-подзолистой почве привело к постепенному сокращению запасов гумуса. Потери органического вещества почвы зависят от возделываемой культуры, гранулометрического состава, интенсивности обработки почвы и других факторов.

Разложение органического вещества протекает более интенсивно на почвах легкого гранулометрического состава и в условиях орошения при прочих равных условиях.

Механическая обработка почвы сказывается на потере органического вещества в первую очередь. Рыхление, активизирующее почвенные процессы способствует минерализации гумуса, а в условиях промывного режима и вымыванию образующихся питательных веществ за пределы пахотного слоя или восстановления до газообразного азота. Наиболее актуальна эта проблема для целинных земель. Снижение количеств и глубины обработок снижает и темпы потерь органического вещества.

Потери гумуса типичных черноземов составили за 80 лет использования в Воронежской области — 2,5-3,0%; за 25 лет в Краснодарском крае — 1,3%. Содержание гумуса в каштановых почвах Алтайского края в 1896-1899 гг. было 3,7-5,5%, а в 1973-1975 гг. оно снизилось до 1,1-2,1%, на южных черноземах Алтая 5,0-6,5 в 1896-1899 гг. и 2,9-4,1% в 1973-1975 гг., на выщелоченных черноземах — 8,3-8,9 и 4,2-6,3% соответственно.

За 30-50 лет интенсивного использования земель содержание гумуса в почвах может снизиться на 20-25%, иногда доходя до 50%. Ежегодно в пахотном слое дерново-подзолистых почв минерализуется 6-7 ц/га органического вещества, в чернозёмах — около 10 ц/га, что составляет около 1% и 0,4-0,5% соответственно. Наиболее высокие темпы минерализации наблюдаются в чистых парах — 1-2 т/га из-за отсутствия возврата органического вещества в почву и может накапливаться 60-120 кг/га нитратного азота.

Главные причины потерь гумуса почвами:

  • уменьшение массы поступающих в почву растительных остатков при смене естественного биоценоза агроценозом;
  • усиление минерализации в результате интенсивной обработки и увеличении аэрации почв;
  • разложение и биодеградация гумуса под действием физиологически кислых удобрений и активизации микрофлоры от вносимых удобрений;
  • усиление минерализации гумуса на орошаемых землях в первые годы орошения (в последующие годы поддержание гумуса стабилизируется и даже повышается);
  • минерализации гумуса при осушительных мелиорациях переувлажненных почв;
  • водная и ветровая эрозия.

Воспроизводства гумуса

Применение минеральных удобрений является часто ключевым фактором быстрого увеличения урожайности культур. Но урожай не является абсолютным показателем плодородия. Высокую эффективность применения высоких доз минеральных удобрений возможно обеспечить воспроизводством органического вещества почвы.

В почве одновременно протекают два противоположных процесса: образование и разложение органического вещества. Интенсивность обоих процессов определяет баланс органического вещества в почве и зависит от возделываемой культуры и технология её возделывания.

В природных условиях баланс органического вещества регулируется естественным обменом между почвой и растительным сообществом, пребывающем в характерном для каждой зоны равновесии.

В современном земледелии остается проблема отрицательного баланса органического вещества. Основными причинами этой проблемы являются:

  • несбалансированность структуры посевов по массе растительных остатков, остающихся в почве;
  • усиление минерализации органического вещества из-за многократных обработок и повышенной аэрации почв;
  • влияние физиологически кислых удобрений, приводящих к разложению и биодеградация гумуса;
  • минерализации, вызванная осушительной или оросительной мелиорацией;
  • эрозия почв.

Систематическое внесение минеральных и органических удобрений в севооборотах влияет на превращение органического вещества почвы, но их воздействие принципиально отличается. Органические удобрения оказывают прямое влияние на баланс за счет гумификации составных частей удобрения и косвенное. Тогда как минеральные влияют только косвенно на баланс органического вещества за счет большего накопления культурами растительной массы и, следовательно, растительных остатков, а также ингибирующее действие некоторых минеральных удобрений на микробиологическую активность почвы, препятствующую гумификации.

Возделывание многолетних трав дает положительный результат благодаря накоплению большого количества растительных остатков и замедлению минерализации гумуса, при условии отсутствия обработки почвы в течение нескольких лет.

Под многолетними травами на серых лесных и дерново-подзолистых почвах минерализация органического вещества составляет около 0,2-0,35 т/га, а ежегодное восполнение составляет 0,6-0,9 т/га. Поэтому чем выше процент многолетних трав в структуре посевной площади, тем больше в почве образуется гумуса.

В современном земледелии с интенсивными технологиями выращивания культур, создать бездефицитный баланс без внесения органических удобрений становится невозможным.

В Нечерноземной зоне для бездефицитного баланса требуется ежегодное внесение не менее 5-12 т навоза на 1 га пашни, в Уральском районе — не менее 12 т/га, в Черноземной зоне — не менее 6-8 т/га.

Внесение органических удобрений должно сопровождаться комплексом агротехнических мероприятий, например, известкование или гипсование почв, рациональное использование минеральных удобрений, корректировка структуры посевных площадей и т.п.

Подходы, направленные на создание положительного баланса органического вещества в почве:

  • увеличение доли многолетних бобовых, зерновых и зернобобовых культур в севооборотах в зоне достаточного увлажнения;
  • введение в севооборот промежуточных культур, оставляющих в почве большую массу растительных остатков;
  • совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур;
  • сокращение количества и глубины обработок почвы;
  • использование современной облегченной техники;
  • противоэрозионные мероприятия.

Данные приемы должны выстраиваться и планироваться в рамках интегрированной системы ведения сельскохозяйственного производства, адаптированного к конкретным почвенно-климатических условиям местности.

Основными путями компенсации потерь гумуса являются:

  1. использование всех видов органических удобрений в сочетании с минеральными удобрениями;
  2. запашка сидератов, пожнивно-корневых остатков;
  3. введение в севооборот бобовых трав и бобово-злаковых травосмесей.

Моделирование баланса органического вещества в севообороте

Расчет баланса органического вещества

Моделирование баланса органического вещества — прогнозирование изменения баланса гумуса в рамках севооборота, основанное на учете поступления и потерь органического вещества пахотного слоя.

В расходную часть баланса органического вещества входит его минерализация под различными культурами в условиях конкретной технологии обработки почвы и производства продукции; выноса продуктов разложения из растениями из почвы и их вымывания в результате вертикального и поверхностного стоков.

В приходную часть баланса входят поступление органического вещества с растительными остатками, с органическими органическими удобрениями, семенами и посадочным материалом; связывания углекислого газа атмосферы некоторыми сине-зелеными водорослями.

Расчет баланса органического вещества принято вести по азоту, так как он сосредоточен преимущественно в органическом веществе в соотношении углерода к азоту равному 10 : 1, и непосредственно поглощается растением из почвы, в отличие от углерода. Поэтому, количества выносимого и поступающего в почву азота позволяет судить о минерализуемых количествах гумуса для покрытия дефицита.

Вынос азота с урожаем культур определяют по справочным данным, а степень использования его растениями из удобрений и растительных остатков — по нормативным. При расчете баланса органического вещества следует учитывать поправочные коэффициенты, характеризующие эффективность использования азота гумуса, который зависит от гранулометрического состава почвы и возделываемых культур.

Согласно А.М. Лыкову, поправочные коэффициенты использования азота для различных по гранулометрическому составу почв и культур следующие:

  • тяжелые суглинистые — 0,8, средние — 1,0, легкие — 1,2, супесчаные — 1,4, песчаные — 1,8;
  • многолетние травы — 1,0, пропашные — 1,6, зерновые и другие однолетние культуры сплошного посева — 1,2.

Коэффициент использования азота минеральных удобрений в  рекомендуемых дозах, навоза и растительных остатков составляет 50%. Обеспеченность клевера в азоте от азотфиксации в вариантах без удобрений составляет 80%, при внесении удобрений — 70, для викоовсяной смеси этот показатель соответственно равен 20 и 10%.

Количество растительных остатков может быть рассчитано по их соотношению с урожаем или по уравнению линейной регрессии.

Коэффициенты гумификации (изогумусовые коэффициенты) органического вещества навоза и растительных остатков, на основании исследований кафедры земледелия и методики опытного дела МСХА, рассчитываются по углероду и составляют:

В условиях водной или ветровой эрозии при расчете гумусового баланса учитывают потери почвы от эрозионных процессов.

Баланс гумуса рассчитывается с целью прогнозирования и расчета потребности пахотных почв в органических удобрениях необходимых для получения планируемого урожая и воспроизводства плодородия.

Баланс гумуса определяется по разности между статьей прихода (за счет поступления и гумификации пожнивно-корневых остатков, органического вещества удобрений) и расхода (минерализация гумуса при возделывании сельскохозяйственных культур и паровании полей).

Расчет баланса можно проводить по севообороту, отделению, хозяйству, району, области и т.д.

Для расчета баланса необходимы следующие данные:

  • размещение культур в севообороте;
  • планируемый урожай;
  • занимаемая культурами площадь;
  • дозы минеральных удобрений;
  • виды и дозы органических удобрений;
  • тип, подтип и разновидность почвы.

Расход гумуса за счет минерализации зависит от целого ряда факторов:

  • почвенно-климатических условий;
  • интенсивности обработки почв;
  • структуры посевных площадей;
  • урожая культур;
  • уровня химизации и т.д.

Наибольшая минерализация гумуса отмечается в чистых парах, далее в убывающем порядке следуют пропашные культуры, культуры сплошного сева (зерновые, зернобобовые, однолетние травы), многолетние травы, луга и пастбища.

Например, на легких дерново-подзолистых почвах ежегодно минерализуется под чистым паром — 4,5%, картофелем, корнеплодами и овощами — 3,4-3,9%, кукурузой на силос — 3,3-3,9%, силосными — 1,9-2,2%, зерновыми — 1,9-2,1%, однолетними травами — 1,7-1,8%, многолетними травами и люпином — 0,6-0,9% от валовых запасов гумуса в пахотном слое (Попов и др., 1986).

Уровень минерализации гумуса зависит и от гранулометрического состава почв. На легких почвах он возрастает.

Для расчета минерализации гумуса с учетом факторов, влияющих на этот процесс, и интенсивности обработки почвы А.М. Лыковым (1976) были предложены поправочные коэффициенты.

  1. Для тяжелых суглинистых почв коэффициент составляет 0,8; среднесуглинистых — 1,0; легкосуглинистых — 1,2; супесчаных — 1,4; песчаных — 1,8.
  2. Для многолетних трав коэффициент равен 1,0; для зерновых и других культур сплошного сева — 1,2; для пропашных — 1,6.

Метод расчета баланса гумуса по выносу растениями азота. Метод основан на исследованиях И.В. Тюрина (1957) о том, что гумус в среднем содержит 5-6% азота. Поэтому использование растениями 50 кг азота сопровождается минерализацией около 1 тонны гумуса. Исследования, проведенные с изотопом 15N показали, что даже при внесении высоких доз удобрений в среднем 50-60% выноса азота растениями составляет почвенный азот. Поэтому, зная величину общего выноса азота, можно определить количество гумуса, которое может быть минерализовано при возделывании культур с учетом интенсивности земледелия.

В практических условиях минерализацию гумуса можно определить по формуле:

Гм = (УоКN + УоКрК) х 0,6 х 20,

где Гм — количество минерализованного гумуса, т/га; Уо — урожай основной продукции, т/га; KN — вынос азота в пересчете на 1 т основной и побочной продукции, кг; Кр — коэффициент выхода растительных остатков по отношению к основной продукции; KNp — вынос азота 1 т растительных остатков, кг; 0,6 — усредненный коэффициент выноса азота почвы по отношению ко всему выносу; 20 — коэффициент пересчета азота в гумус.

Все необходимые исходные данные для использования в приведенной формуле содержатся в справочной литературе. Ежегодное восполнение гумуса от корневых и пожнивных остатков в среднем составляет: для зерновых культур — 0,4-0,6 т/га, пропашных — 0,2-0,3 т/га, многолетних трав — 0,5-1,0 т/га.

Предложенный метод удобен для расчетов, но является условным, так как базируется на усредненных показателях.

Другой метод расчета баланса гумуса основан на использовании данных содержания гумуса и коэффициентов минерализации или гумификации органических остатков.

Согласно методу, потребность в органическом веществе может быть определена по формуле:

А = K (Но + А),

где А — ежегодное внесение органических веществ, т/га; Но — уровень содержания гумуса в равновесном состоянии, т/га; K — средний коэффициент минерализации органических удобрений, который равен 0,02-0,08 в зависимости от интенсивности земледелия.

Для расчета приходной статьи баланса учитывают органическую массу, поступающую в почву с удобрениями, корневыми и пожнивными остатками, и коэффициенты их гумификации. При этом используются изогумусовые коэффициенты, то есть количество гумуса, образующееся из различных органических материалов, в % на сухое вещество.

Для расчета ожидаемых запасов гумуса в почве за звено или полную ротацию севооборота Н.Ф. Ганжарой (1978) предложена формулу:

St = (So + Kr x A x t) x (1 — Km),

где St — запас гумуса, т/га через t лет; So — исходные запасы гумуса, т/га; Kr — коэффициент гумификации свежих органических веществ в долях единицы (за единицу принимается A); A — количество поступивших в почву свежих органических веществ, т/га; t — время для которого рассчитывают баланс гумуса, лет; Km — коэффициент минерализации гумуса в долях единицы (за единицу принимается величина So + KrAt).

Для определения общего объема накопления органических удобрений на агропредприятии можно использовать коэффициенты пересчета на стандартный навоз:

  • подстилочный навоз с влажностью 75-77% — 1,0;
  • твердая фракция бесподстилочного навоза — 1,0;
  • полужидкий навоз с влажностью до 92% — 0,5;
  • жидкий навоз с влажностью до 97% — 0,25;
  • компост на основе навоза с влажностью до 84% — 1,0;
  • птичий помет полужидкий — 1,4;
  • солома — 2,0;
  • сапропели — 0,8;
  • дефекат — 0,8;
  • сидерат бобовых культур — 0,7;
  • сидерат крестоцветных культур — 0,8.

ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова в сотрудничестве с сельскохозяйственными институтами разработаны нормативные данные для расчета баланса гумуса, основанные на обобщении имеющихся данных полевых опытов по статьям прихода и расхода для разных типов почв при возделывании различных культур, которые позволяют оценить баланс гумуса для разных типов севооборотов.

Регулирование баланса органического вещества

Критический, или минимальный, уровень содержания органического вещества — содержание органического вещества, ниже которого развивается быстрая деградация почв, сопровождающаяся снижением ее производительности и эффективности агрономических приемов.

Оптимальный уровень содержания органического вещества — содержание гумуса, при котором обеспечивается высокая эффективность применяемых приемов и методов интенсификации земледелия.

Для дерново-подзолистых почв по результатам наблюдений оптимальный уровень содержания органического вещества составляет 2,5-4%, увеличенного с 1,0-1,7%. В результате такого прироста на данном типе почв улучшаются физические и физико-механические свойства, что позволяет снизить затраты на обработку на 20-25% и сократить сроки проведения полевых работ. Урожайность кукурузы и зерновых культур от внесения минеральных удобрений возрастает в два раза. Дальнейшее увеличение содержания органического вещества не дает пропорционального роста урожая. Поэтому оптимальным уровнем содержания органического вещества в дерново-подзолистых почвах принято считать 4,0%.

Для обеспечение бездефицитного баланса органического вещества в пахотном слое глубиной 40 см дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны на уровне около 2% необходимо ежегодное внесение 5-5,5 т органических удобрений в пересчете на сухое вещество на 1 га пашни. Для обеспечения уровня в 4% соответственно требуется внесение 10-11 т/га. Внесение такого количества органических удобрений возможно при максимально возможном увеличении в хозяйствах выхода навоза и компостов, использовании соломы и промежуточных культур, высокое насыщение севооборотов многолетними травами, что увеличивает экономические издержки воспроизводства органического вещества почвы. Поэтому для каждой конкретной почвы севооборота рассчитывают оптимальное содержание гумуса, соответствует максимальной агрономической эффективности при допустимых экономических затратах.

Сокращение потерь органического вещества, особенно дерново-подзолистых и других почв Нечерноземной зоны, содержание гумуса которых и так находится на близких к критическим уровням, является важной агрономической задачей в современном земледелии. Для этого предлагается ряд решений:

  • замена однолетних кормовых культур на многолетние травы;
  • использование соломы;
  • введение сидеральных культур в качестве промежуточных культур;
  • замена чистых паров занятыми.

Например, минерализация гумуса в чистом паре составляет в среднем 3 т/га гумуса, для воспроизводства которого требуется более 40 т/га навоза.

Особенно остро эта проблема стоит на почвах при бессменном паровании. Например, потери гумуса за 20 лет типичных черноземов Воронежской области при бессменном паровании составили 3%.

Независимо от размера и форм собственности сельскохозяйственного производства баланс органического вещества должен быть в крайнем случае бездефицитным, а на бедных гумусом почвах — положительным.

Бездефицитный баланс органического вещества при оптимальном уровне содержания гумуса может достигаться сочетанием следующих условий:

  • рациональной структурой использования посевных площадей с включением многолетних трав;
  • эффективное использование растительных остатков;
  • внесение органических удобрений;
  • известкование и гипсование почв;
  • внесение минеральных удобрений;
  • регулирования водного режима мелиорируемых почв;
  • применение почвозащитных мероприятий;
  • оптимизация обработки почв.

Количественные параметры этих методов зависят от конкретных хозяйственных и почвенно-климатических условий.

[INSERT_ELEMENTOR id="2978"]

Литература

Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. — М.: «Былина», 2000. — 555 с.

Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.

Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.