Гумус и азот в почвах

Из всех сложных, взаимосвязанных процессов происходящих в почвах, наиболее важное значение имеет регулирование направленности трансформации органического вещества и, прежде всего, образования и минерализации гумуса.

Стабилизация гумусового состояния почв позволяет оптимизировать агротехнические приемы возделывания культур. Содержание гумуса в почвах в значительной мере определяются приходом растительных остатков, коэффициентом их гумификации и скоростью минерализации органического вещества.

Применение известковых и минеральных удобрений сопровождается усилением процессов минерализации органического вещества почвы, однако за счет увеличения количества послеуборочных растительных остатков вследствие лучшего развития растений образование гумусовых веществ может преобладать над процессами минерализации. В то же время при запашке одинакового количества органического вещества в разных климатических зонах накапливается различное количество гумуса в почве.

Содержание гумуса в почве для определенных почвенно-климатических условий, несмотря на варьирование, представляет собой довольно стабильную величину, и для ее заметного увеличения требуется применение высоких доз органических удобрений. При этом, чем выше содержание гумуса в почве, тем больше требуется органических удобрений для его поддержания на данном уровне.

В зависимости от климатических условий и гранулометрического состава при стабильном поступлении растительных остатков содержание гумуса в почвах стабилизируется на определенном уровне.

Содержание гумуса оказывает большое влияние на плотность почвы. Установлено, что уплотняемость почв в результате прохода по полю тяжелой техники и последующее действие уплотнения почв на рост и развитее сельскохозяйственных культур проявляется по-разному в зависимости от содержания в них органического вещества и гранулометрического состава. При содержании в дерново-подзолистых и серых лесных суглинистых почвах гумуса, соответственно, менее 2% и 3,5%, после однократного прохода тяжелых сельскохозяйственных машин плотность почвы увеличивается до 1,3-1,5 г/см³, а при содержании в этих почвах гумуса более 3% и 5% — до 1,25-1,28 г/см³. При этом после весеннего оттаивания, уплотненные осенью хорошо гумусированные почвы, восстанавливают плотность до исходного равновесного состояния, в то время как на слабогумусированных уплотненность снижается очень медленно. Поэтому на всех почвах для снижения их плотности и повышения устойчивости к переуплотнению необходимо систематическое применение органических удобрений.

При уплотнении почв и, прежде всего, пахотного слоя, резко снижается эффективность органических и минеральных удобрений. Установлено, что многократный проход тяжелой обрабатывающей техники по полю, и особенно по посевам, снижает урожайность зерновых культур на 10-20%, многолетних трав на 20-30 и овощных культур на 30-40%. Вследствие переуплотнения почвы увеличивается в 1,4-1,8 раза ее сопротивление обработке. На уплотненных почвах ослабленные растения сильнее страдают от болезней, вредителей и неблагоприятных погодных условий. Наиболее эффективными способами улучшения биологических, физико-химических свойств почв являются совместное применение известковых и органических удобрений, а также расширение посевов многолетних бобовых трав. Необходимо отметить, что определенные физические свойства почвы (водный, воздушный и тепловой режимы) важны не сами по себе, а в большей мере для обеспечения оптимальных условий внутрипочвенной трансформации веществ, обусловливающих нормальное произрастание растений.

Уплотненные почвы отличаются низкой микробиологической активностью, слабой водо- и воздухопроницаемостью, поэтому после выпадения осадков на полях в понижениях застаивается вода, а со склоновых земель значительная часть дефицитной воды теряется с поверхностным стоком, вызывая эрозию почвы даже при небольших склонах.

На малогумусных уплотненных почвах значительно снижается доступность растениям природных запасов элементов питания, урожайность и эффективность удобрений. Плотность почв обусловливается их гранулометрическим составом и содержанием гумуса. Оптимальная плотность почвы зависит от биологических особенностей растений. Для зерновых и зернобобовых культур, однолетних и многолетних трав оптимальная плотность песчаных и супесчаных почв составляет 1,30-1,40, суглинистых — 1,15-1,25, глинистых -1,05-1,10 г/см³, для пропашных культур, соответственно — 1,25-1,30; 1,10-1,20 и 1,0-1,05 г/см³.

Оптимальное физическое состояния почвы в зависимости от ее гранулометрического состава

Наряду с агрофизическими свойствами почвы, продуктивность сельскохозяйственных растений в значительной мере зависят от её агрохимических свойств и, прежде всего, рН среды, гидролитической кислотности, емкости катионного и анионного обмена, суммы и состава поглощенных оснований, степени насыщенности ППК основаниями и содержания элементов питания.

Наибольшей способностью обменно поглощать катионы обладают органические коллоиды, илистая и близкие к ней фракции почв. Частицы крупнее 0,01 мм (крупная пыль — 0,01-0,05 мм, песок 0,05-1 мм), состоящие преимущественно из полевых шпатов и кварца, не проявляют заметной катионообменной способности.

Важно отметить, что почвенный поглощающий комплекс (ППК) не является каким — либо целостным материальным носителем обменных катионов. Он представляет собой варьирующую для разных почв совокупность тонкодисперсных коллоидных и предколлоидных частиц минеральной и органической, неживой и живой природы, обладающих ионообменной способностью.

Состав обменных катионов служит одним из основных показателей пищевого режима почвы. Более 98 % доступных растениям катионов адсорбировано на поверхности ППК и лишь 1-2 % находится в почвенном растворе. Благодаря динамичному равновесию между обменнопоглощенными катионами и катионами, находящимися в почвенном растворе, их концентрация в нем довольно стабильна и обусловливается содержанием ионов в ППК. Изменения содержания элементов питания в почвенном растворе, вызываемые потреблением их растениями или внесением удобрений, обычно незначительны, поскольку ионы адсорбированные ППК выступают в виде буфера.

Обменные макро — и микроэлементы являются непосредственным источником питания растений. В агрохимической практике определение обменного К⁺ , Mg2⁺ , Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺ и Co^2,3+ служит для оценки уровня обеспеченности ими сельскохозяйственных культур и буферности почвы, характеризующей стабильность содержания отдельных элементов питания в почвенном растворе несмотря на постоянное потребление их растениями.

Содержание гумуса в почве находится в постоянном динамическом равновесии. Несмотря на относительно высокую устойчивость гумуса к микробиологическому разложению (его возраст составляет 500 — 5000 лет) в почве постоянно происходят процессы его минерализации и новообразования. Поэтому гумусовое состояние почв зависит от того, какой из этих процессов преобладает — минерализация или гумификация.

Количество гумуса является одним из важнейших показателей почвенного плодородия. Его запасы в значительной степени определяют агрохимические, агрофизические и биологические свойства почвы. Богатые гумусом почвы отличаются высокой буферностью в отношении многих факторов — пищевого, водного, температурного и воздушного режимов. В таких почвах снижаются потери элементов питания от вымывания, повышается скорость разложения пестицидов, уменьшаются затраты растений, особенно корне — и клубнеплодных, на механическую работу их корневой системы на деформацию и смещение почвенных агрегатов во время роста, значительно снижаются энергетические затраты на обработку почвы. Содержание гумуса зависит от почвенно-климатических условий, структуры посевных площадей, интенсивности обработки почвы, количества применяемых удобрений и мелиорантов. При длительном использовании почв в качестве пашни гумус непрерывно минерализуется, а элементы питания отчуждаются с урожаем или в результате непроизводительных потерь. Наибольшие потери гумуса вследствие его минерализации и эрозионных процессов происходят в парующей почве и под пропашными культурами по сравнению с многолетними травами и зерновыми культурами.

Поэтому при разработке мероприятий направленных на поддержание или повышение плодородия почвы важно проводить расчеты гумусового баланса.

Баланс гумуса в почве может быть бездефицитным, если его приход (образование) в результате гумификации свежих растительных остатков и органических удобрений полностью уравновешивает расход за счет минерализации и эрозии почвы. Баланс считается положительным, когда количество вновь образованного гумуса превышает его расход, и отрицательным, если приход гумуса не компенсирует его потери. Расход гумуса рассчитывают по интенсивности его минерализации в конкретных условиях.

Установлено, что в Нечерноземной зоне в дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах под культурами сплошного сева (зерновыми, зернобобовыми, травами) ежегодно минерализуется около 0,8-1,2% (0,4-0,8 т/га) гумуса, под пропашными культурами (картофель, свекла, капуста и др.) — 1,6-2,0%, в парующей почве — 2,53.0%. В черноземных почвах коэффициенты минерализации примерно в 2 раза ниже (0,5; 1,0 и 1,5% , соответственно), чем в дерново-подзолистых, однако в количественном отношении, вследствие более высокой их гумусированности, под культурами сплошного сева минерализуется 0,8-1,2 т/га гумуса. В легких песчаных и супесчаных почвах интенсивность минерализации гумуса в пахотном слое в 1,5 -2 раза выше, чем суглинистых.

Примерный расход гумуса можно также рассчитать по методу, предложенному И. В. Тюриным (1956 г.), в основу которого положен вынос азота с урожаем и коэффициент использования минерализованного азота почвы растениями за период вегетации. В настоящее время в Нечерноземной зоне России в среднем около 85% азота, отчуждаемого с урожаем основной и побочной протекцией, приходится на азот органического вещества почвы и остальная небольшая часть (15%) на азот органических и минеральных удобрений, а также азот поступающий с осадками, пожнивными остатками бобовых и за счет азотфиксации несимбиотическими бактериями. Коэффициент использования минерального азота почвы (включая азот текущей минерализации) растениями составляет примерно 70%. Учитывая, что доля азота в гумусе составляет около 5% (1/20 часть), можно определить количество минерализовавшегося гумуса за период вегетации. Например, урожаем озимой пшеницы 2,0 т/га выносится с 1 га около 60 кг азота, доля азота гумуса в урожае (85%) — 51 кг. Исходя из того, что используется около 70% минерального азота, почвы, общий размер минерализованного азота почвы равен 51 : 0,7 = 73 кг/га, а количество минерализованного гумуса — 1,45 т/га ( 73 кг -20).

Приход гумуса в почве можно рассчитать, исходя из массы пожнивнокорневых остатков, внесенных органических удобрений и коэффициентов их гумификации.

Примерные коэффициенты гумификации послеуборочных растительных остатков и органических удобрений (%):

1. Многолетние бобовые травы — 0,25
2. Многолетние злаковые травы — 0,20
3. Зерновые и зернобобовые культуры — 0,18-0,20
4. Однолетние травы на сено — 0,18-0,20
5. Однолетние травы на зеленую массу — 0,12-0,15
6. Картофель, корнеплоды, овощи — 0,05-0,08
7. Навоз крупного рогатого скота — 0,20-0,25
8. Торф низинный — 0,25-0,30
9. Торфонавозные компосты — 0,25

Количество пожнивных и корневых остатков зависит от урожайности, биологических особенностей сельскохозяйственных культур и определяется по массе основной продукции с учетом поправочных коэффициентов.

Сухая масса послеуборочных остатков (тонн на 1 т основной продукции в почвах Нечерноземной зоны, Орлов Д.С. и др. 1985)

При расчете гумусового баланса в севообороте учитывают расходные (размер минерализации под каждой культурой) и приходные статьи — образование гумуса за счет органических удобрений и пожнивно-корневых остатков.

Например, при возделывании ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, содержащей 3% гумуса (около 90 т/га гумуса в пахотном слое почвы), текущая минерализация составляет 1% от валового его содержания в почве или 0,9 т/га.

Далее можно определить количество пожнивно-корневых растительных остатков ячменя. При урожае 30 ц/га их в почве останется примерно 36 ц/га. Умножая массу пожнивно-корневых остатков ячменя на коэффициент их гумификации (0,20), находим, что приход вновь образованного гумуса составит 0,8 т/га. Таким образом, при возделывании ячменя отрицательный баланс гуммуса составил 0.1 т/га (0,9 т — 0,8 т).

Проведя аналогичные расчеты по всем культурам севооборота, можно определить баланс гумуса (разница между приходом и расходом) по полям и в целом за ротацию.

Установлено, что для поддержания гумусового равновесия дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава обеспеченность органическими удобрениями должна составлять 12-14 т/га, средне — и тяжелосуглинистых — 10-12 т/га. В серых лесных почвах и черноземах сохранение содержания органического вещества почвы на исходном уровне (стабилизация) возможно при обеспеченности навозом соответственно 8 -10 и 6-8 т/га, соответственно. Систематическое применение более высоких (низких) доз органических удобрений, чем необходимо для поддержания бездефицитного баланса гумуса в почве, приводит вначале к заметному повышению (снижению) его содержания, а затем содержание гумуса стабилизируется на определенном новом количественном уровне.

В то же время как максимальное, так и минимальное содержание гумуса имеет свои границы, зависящие от природных условий, типа почвы, ее хозяйственного использования и гранулометрического состава, обусловливаемого количеством физической глины (тонкодисперсных вторичных минералов) в ней. Минимальное содержание гумуса в почве наблюдается при резко несбалансированной системе земледелия — длительном паровании почв или возделывании пропашных монокультур без применения органических и минеральных удобрений.

В этих условиях баланс органического вещества в почве находится на самом низком уровне динамического равновесия, а почва практически перестает терять гумус.

Максимальное содержание гумуса равно величине, при которой систематическое внесение органических удобрений в дозах значительно превышающих компенсирующие, не сопровождается увеличением гумуса в пахотном слое.

Большое влияние на агрохимические, физические и биологические свойства почвы, а, следовательно, и на условия произрастания растений оказывает реакция почвы. От реакции среды существенно зависит доступность растениям макро — и микроэлементов элементов, эффективность удобрений, активность и групповой состав почвенной микрофлоры, скорость минерализации растительных остатков и химического выветривания почвенных минералов, характер гумусообразования (соотношение гуминовых и фульвокислот), состав вторичных минералов и направленность почвообразовательного процесса в целом. В свою очередь реакция среды обусловливается многими перечисленными выше процессами, протекающими в почве. Избыточная кислотность почвы, особенно при высоком содержании активного алюминия, является одной из главных причин низкой продуктивности сельскохозяйственных культур и вызывает отрицательные экономические и экологические последствия. В частности, на этих почвах на 30-40% снижается эффективность минеральных удобрений, в 3-5 раз увеличивается накопление в растениях тяжелых металлов и радионуклидов. Подвижный алюминий многократно усиливает отрицательное действие кислотности на сельскохозяйственные растения, активность микрофлоры и доступность элементов питания. Алогичное влияние оказывает также алюминий подпахотных горизонтов почвы.

Негативное действие ионов Н⁺ и Al³⁺ на растения зависит не только от их количественного содержания в почве (мг-экв/100 г), но и их доли (%) занимаемой в составе поглощенных катионов — степени насыщенности емкости катионного обмена основаниями (Са²⁺, Mg²⁺, К⁺ и Na⁺). По Д. Хиссинку, степень насыщенности почв основаниями показывает, какая часть (доля) ЕКО приходится на поглощенные основания.