Рациональное использование земельных ресурсов Беларуси — Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы хотя и составляет небольшую часть твердой фазы, является наиболее важным показателем плодородия почв и играет большую роль в питании растений. Органическое вещество почвы – это совокупность всех органических веществ, находящихся в форме гумуса и остатков животных и растений. Органические вещества твердой фазы почвы подразделяются на две большие группы: негумифицированные и гумифицированные вещества. Гумус – часть органического вещества почвы, представленная совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, за исключением соединений, входящих в состав животных организмов и их остатков. В процессе гумификации происходит новообразование сложных продуктов — собственно гумусовых соединений. На их долю приходится 80 — 90% всей органической части почвы, и, по существу, они являются формой  аккумуляции солнечной энергии на земле. Гумус концентрирует энергию солнца, перераспределяет ее и обеспечивает энергией последовательную цепь организмов, выполняющих значительную механическую работу, а также биохимические и химические  реакции, составляющие сущность почвообразования.

Негумифицированные органические вещества —  это отмершие, но еще не разложившиеся или полуразложившиеся остатки растений и микроорганизмов. На площади 1 га в почву ежегодно поступает 5 — 10 т растительных остатков и 0,7 — 2,4 т продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Негумифицированные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступные для растений формы.

Одновременно в почве идут процессы гумификации растительных и животных остатков и образуются специфические гумусовые вещества. Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гиматомелановых кислот и гуминов. Гуминовые кислоты –  группа темноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах. Они представляют собой гетерогенную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи.

Гуминовые кислоты содержат в зависимости от типа почвы 30 — 43% углерода, 32 – 42% водорода, 17,5 — 22 % кислорода, 2,4 — 3% азота, а также фосфор, серу и другие элементы питания.

Фульвокислоты — группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах. Фульвокислоты — гумусовые вещества желтой или красноватой  окраски. В структуре фульво-,  как и гуминовых кислот, установлены ароматические и алифатические группы. Однако ароматическая часть их в молекуле выражена менее ярко, в основном преобладают боковые цепи, т.е. алифатические, углеводные и аминокислотные компоненты. По составу фульвокислоты различных типов почв менее разнообразны. Они обладают высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем другие группы гумусовых веществ. Фульвокислоты содержат 27 — 30% углерода, 34 — 42% водорода, 25 — 30% кислорода и 1,4 — 2,5 % азота.

Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами содержат меньше  углерода и азота,  но больше кислорода. Обладают относительно более выраженными кислотностью и склонностью к комплексо- и хелатообразованию.

Гуматомелановые кислоты — группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле, с промежуточными свойствами между фульвокислотами и гуминовыми кислотами. Ранее  включалась в группу гуминовых кислот. Отличается от последних растворимостью в полярных органических растворителях и другими свойствами.

Гумин — органическое вещество, входящее в состав почвы, не растворимое в кислотах, щелочах, органических растворителях. Эта неэкстрагируемая часть гумуса представлена двумя типами соединений: гумусовыми веществами, наиболее прочно связанными с глинистыми минералами; частично разложившимися растительными остатками, утратившими анатомическое строение и обогащенными наиболее устойчивыми компонентами, прежде всего лигнином. В тяжелых глинистых почвах гумины составляют более 50% гумуса.

Гумифицированные вещества почвы более устойчивы к микробиологическому разложению, чем негумифицированные соединения. Однако разложение гумуса в почве, хотя и медленно, но происходит. На полях, занятых зерновыми культурами, за вегетационный период разлагается 0,7 — 0,8 т/га гумуса, пропашными — 1,0 — 1,2 т/га с образованием доступного растениям минерального азота, фосфора, серы. В гумусе содержится около 5 % азота, 1,5 — 2,5% фосфора. В дерново-подзолистых почвах на органические соединения в зависимости от гранулометрического состава приходится 30 — 40% фосфора и 90 % серы от общего содержания этих элементов в почвах.

Гумус является не только источником питательных элементов для растений, но и оказывает прямое влияние на  водно-физические свойства почвы. С увеличением содержания в почве углерода уменьшается плотность почвы, увеличивается порозность и влагоемкость. Органическая часть почвы обладает мощной водоудерживающей способностью, может связать в 7 — 10 раз больше воды,  чем минеральная. На каждый процент гумуса в почве влагоемкость ее повышается на 8 — 10 весовых процентов. Это особенно важно для легких супесчаных и песчаных почв.

Для тяжелых глинистых и суглинистых почв положительная роль гумуса определяется его влиянием на рыхлость, аэрацию, устранение избыточной влажности, т.е. установление более благоприятных условий для роста и развития растений.

Специфическая роль гумуса в оструктуривании определяется, главным образом, подвижными, гидрофильными компонентами, входящими в его состав.

Систематическое  применение органических, минеральных удобрений в сочетании с известкованием почвы оказывает существенное влияние на улучшение водно-физических свойств почв. По данным Белорусского НИИ почвоведения и агрохимии, на дерново-подзолистой слабоокультуренной  суглинистой почве экспериментальной базы “Куросовщина”, отличающейся малой фильтрационной способностью, известкование, внесение органических, минеральных удобрений и посев клевера повышало коэффициент фильтрации с 0,7 до 63 м ³ в сутки.

Исследованиями НИГПИПА установлено, что неблагоприятный водный режим песчаных почв существенно улучшался при применении высоких доз органических удобрений от (60 до 220 т/га за ротацию 7-польного севооборота) при сочетании их с зелеными удобрениями, полным минеральным удобрением и известкованием. Применение органических удобрений способствовало улучшению физических свойств почвы, увеличивало полевую влагоемкость  и запас продуктивной влаги.

Установлена и акцепторная роль гумуса в закреплении избыточного количества вносимых в почву минеральных и органических веществ. Эта функция гумуса  особо четко проявляется при применении минеральных удобрений и особенно азотных. Временно закрепленные элементы питания, вследствие более интенсивного развития микроорганизмов, постепенно переходят в доступную для растений форму равномерно на протяжении вегетации, обеспечивая сельскохозяйственные культуры необходимыми для питания соединениями. Закрепление избыточного в начале вегетации растений  азота удобрений предохраняет его от вымывания, сохраняет в сфере развития корневой системы, обеспечивая растения азотом по мере минерализации в основные периоды роста и развития.

Гумусовые вещества оказывают защитное действие на ионы фосфора, калия и других питательных элементов. Они, обволакивая поверхность минералов гумусовыми пленками, препятствуют необратимой сорбции фосфатов в почве. Была замечена способность гумусовых веществ предотвращать фиксацию глинистыми минералами калия за счет образования соединений типа хелатов.

Способность гумуса акцептировать вносимые в почву в процессе техногенеза органические и минеральные токсичные вещества определяет его важную экологическую роль в агроценозах. В частности, гумусовые вещества обладают высокими величинами емкости катионного обмена и удельной поверхностью, играют важную роль в сорбции гербицидов. Велика роль гумуса в снижении токсичного действия тяжелых металлов. Гумусовые вещества способны образовать с тяжелыми металлами трудно- и нерастворимые высокомолекулярные комплексные соединения, что смягчает или полностью снижает воздействие токсикантов на микробные сообщества почв, снижает накопление токсичных веществ в растениеводческой продукции.

Причина низкого содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах — условия их формирования, главным образом в связи с меньшим притоком ФАР и соответственно меньшим образованием свежего органического вещества, а также более интенсивными темпами его разложения. Поэтому необходимо создавать бездифицитный, а в ряде случаев и положительный баланс гумуса.

Отличительная особенность органического вещества дерново-подзолистых почв Беларуси – высокое содержание углерода  нерастворимого остатка (30 — 40% валового содержания и более), что обусловлено использованием длительное время в качестве компонента органических удобрений больших количеств торфа, в состав которого входят специфические вещества (битум 4 — 5%, лигнин 17 — 18 %), слабо поддающиеся микробиологическому воздействию и не участвующие в почвообразовании и питании растений. Относительная скорость минерализации органического вещества торфа приблизительно в 4,5 раза ниже, чем навоза. Компост по скорости минерализации занимает промежуточное положение между навозом и торфом. Быстрая минерализация навоза обусловлена более высоким содержанием в нем водорастворимых веществ и меньшим содержанием трудноразлагающихся  компонентов — целлюлозы, трудногидролизуемых белков, воскосмол, лигнина.

Содержание гумуса в почве оказывает существенное влияние на эффективность удобрений. По данным Белорусского НИИ почвоведения и агрохимии, за счет минерализации органических веществ почвы растения могут усвоить 20 — 25 кг азота на каждый процент гумуса в почве.

На почвах с невысоким содержанием гумуса возрастает потребность в азотных удобрениях, а фосфорные и калийные удобрения без внесения азота не проявляют высокой эффективности. На почвах с высоким содержанием гумуса снижается потребность в азотных удобрениях и повышается эффективность фосфорных и калийных, так как растения лучше обеспечиваются азотом за счет запасов почвы. По данным Т.Н. Кулаковской (1990 г.), обобщение 62 опытов с ячменем на дерново-подзолистых супесчаных почвах показало, что прибавка урожая от применения 180 кг NPK составила 0,6 т/га зерна на почве с содержанием гумуса 1 — 1,3 % и 1,4 т/га при увеличении гумуса до 1,9 — 2,2 %, т.е. более чем в два раза.

Более высокая эффективность минеральных удобрений на хорошо гумусированных окультуренных почвах — свидетельство возрастающего значения плодородия почвы в интенсивном земледелии.

В связи с таким большим значением гумуса в плодородии почвы большой интерес представляют исследования по темпам гумусонакопления в почвах. Обобщение данных многолетних стационарных опытов с различными системами удобрения на дерново-подзолистых почвах показало, что наибольшие изменения в содержании гумуса происходят в первые 7 — 10 лет, затем этот показатель мало изменяется в связи с установлением равновесного состояния процессов минерализации — гумификации. При использовании почвы без удобрений содержание гумуса стабилизируется на уровне в среднем на 20% ниже исходного, при использовании минеральной системы удобрений — на 15%. При длительном применении навоза  содержание гумуса сохраняется на исходном уровне, а при сочетании органических удобрений с минеральными наблюдается его повышение  до 20 % выше исходного.

Характер содержания гумуса в почвах зависит от доз органических удобрений и климатических условий. На легких дерново-подзолистых почвах Соликамской опытной станции применение 7 т/га навоза в год в севообороте с многолетними травами слабо влияло на уровень гумусированости. Внесение 20 т/га навоза ежегодно в одном из длительных опытов в Германии в зернопропашном севообороте даже за 8 лет повысило содержание гумуса на 65%. Повышение доз органических удобрений до экстремально высоких (60 т/га в год) в длительном опыте в Скерневицах (Польша) увеличивало содержание гумуса более чем в 3 раза ( с 0,79 до 3,09 %).

При определении оптимума главное установить нижнюю границу  содержания гумуса, при которой недостаток в почве органического вещества является тормозам в формировании высоких урожаев, что же касается верхнего предела, то для дерново-подзолистых почв его содержание будет определяться прежде всего экономическими причинами.

Высокое содержание гумуса в почве обходится дорого, и если почва содержит 3% гумуса, то для поддержания этого высокого уровня потребуется в два раза больше вносить органических удобрений, чем при содержании 2%, поскольку в первом случае значительно интенсивнее протекают микробиологические процессы. По данным Т.Н. Кулаковской, оптимальные параметры гумуса для дерново-подзолистых суглинистых почв 2,5 — 3%, супесчаных — 2 — 2,5 и песчаных — 1,8 — 2,0 %.

Многолетние травы наряду с органическими удобрениями являются одним из источников гумусонакопления.

При соотношении многолетних и пропашных 1,5  для поддержания бездефицитного баланса гумуса на связных почвах необходимо вносить 10 — 12 т/га, на легких 12 – 18 т/га подстилочного навоза, а в среднем на пашне в Беларуси – 12,3 т/га.

    В 1998 г. в Беларуси на 1 га пашни было внесено 8,2 т/га органических удобрений. Для снижения потребности в органических удобрениях Белорусский НИИ почвоведения и агрохимии рекомендует в структуре посевных площадей на пашне в республике иметь отношение многолетних к пропашным, равным 3, что существенно позволит снизить потребность в органических удобрениях. Как показали исследования, для поддержания бездефицитного баланса гумуса на дерново-подзолистых почвах в плодосменных севооборотах при содержании многолетних  трав в структуре посевных площадей от 19 до 30% требуется от 14 до 7 т/га навоза соответственно.

Большое значение имеет не только общее содержание гумуса, но и его состав. В природе существует много примеров, когда высокое содержание  гумуса еще не является показателем высокого плодородия. В то же время известны своим плодородием малогумусные почвы тропиков. Все это говорит о том,  что плодородные почвы должны не только обладать определенным запасом гумуса, но важно еще, чтобы этот гумус был активным, мобильным, чтобы он не оставался мертвым запасом, а деятельно участвовал в биологических, химических и физических процессах почвы и обеспечивал растения элементами питания.

Исследования, проведенные в ВИУА, показали, что длительное применение органических и минеральных удобрений практически не изменяло группового состава гумуса. В то же время при длительном применении удобрений наблюдалось количественное изменение содержания  гумуса, физико-химических свойств почвы, интенсивности деятельности почвенной микрофлоры. Более сильное действие длительное применение удобрений оказывает на содержание подвижных и водорастворимых фракций. Результаты длительных опытов  показали, что в вариантах с удобрениями увеличивается в дерново-подзолистых почвах содержание водорастворимых гумусовых веществ. Причем большее накопление водорастворимого гумуса отмечено при применении навоза и навоза совместно с NPK, чем одних NPK — удобрений.

В связи с накоплением водорастворимых форм органического вещества в почвах при длительном применении удобрений предполагают, что в его составе значительное место занимают свежеобразованные гумусовые соединения, находящиеся на ранних стадиях гумуфикации, более “молодые” в химическом отношении.

 В процессе гумификации органическое вещество растительных остатков проходит ряд последовательных стадий, которые в зависимости от условий почвообразования протекают с различной для каждой стадии скоростью:

Растительные остатки ® Гидрофильная стадия разложения ® 

® Гидрофобная стадия разложения ® Ионно-молекулярная стадия разложения (минерализация).

 Первая стадия гумуфикации характеризуется гидрофильностью, возникающей как за счет продуктов разложения растительных остатков, так и за счет разложения самих микроорганизмов, их разлагающих. Внесение навоза даже в высоких дозах ежегодно — 60 т/га (Скерневицы, Польша) не увеличивает гидрофильность органического вещества почвы в отличие от минеральных удобрений. Это указывает на то, что навоз характеризуется скорее гидрофобными, чем гидрофильными свойствами. Это, по-видимому, связано с тем, что большое место в составе органического вещества навоза занимают уже полностью сформировавшиеся гумусовые вещества.

Одним из свойств гидрофильных коллоидов является клейкость, и поэтому можно полагать, что гидрофильный гумус обладает способностью оструктуривать почву. Обогащение органического вещества почв гидрофильными коллоидами является косвенным показателем его активности и играет важную роль в оптимизации водно-физических и трансформационных свойств почвы. А это играет заметную роль в повышении эффективного плодородия почв.

Навоз и другие органические удобрения оказывают как прямое действие за счет привнесения готовых гумусовых соединений, так и косвенное — за счет увеличения биомассы растительных остатков,  изменения физико-химических свойств почв и активизации деятельности почвенной микрофлоры. Прямое действие навоза на количество гумуса и его качество значительно сильнее, чем косвенное, и интенсивность его определяется главным образом дозой внесения. Влияние же минеральных удобрений проявляется через повышение биомассы растительных остатков возделываемых сельскохозяйственных культур, изменение кислотно — основных свойств почв, влияние на активизацию почвенной  микрофлоры.

Для поднятия уровня плодородия почв для конкретного участка, поля, севооборота и хозяйства в целом, оптимизации составляющих его параметров необходимо разработать приемы направленного регулирования гумусного состояния почв.

Таким образом, с интенсификацией земледелия возрастает роль гумуса как одного из важнейших факторов повышения культуры земледелия, обеспечения экологической устойчивости агроценозов, основы плодородия и высоких урожаев сельскохозяйственных культур.