Разносторонняя роль органического вещества в почвенном плодородии заключается в следующем.
1. В формировании питательного режима. Оно выступает как источник элементов питания, особенно азота. В органическом веществе заключено 98 % почвенного азота, около 80 – серы и 40–50 % фосфора.
Велика роль органического вещества как фактора трансформации элементов питания, т. е. превращения их из одних форм в другие, часто из менее доступных в более доступные. Например, мобилизация элементов из почвенных минералов при разрушении их кристаллических решеток органическими веществами с кислотными свойствами, образование различных водорастворимых и усвояемых растениями органо-минеральных соединений, содержащих в своем составе важные для растений зольные элементы питания (фосфор, калий, микроэлементы).
Растения на почвах с более высоким содержанием органического вещества (повышенной гумусности) выдерживают более высокие дозы минеральных удобрений без отрицательных последствий.
2. В формировании физических и физико-механических свойств почвы (структура, плотность, пористость и др.). Здесь особенно велика роль гуминовой части органического вещества как важнейшего фактора образования водопрочной структуры.
3. Биологическая активность почвы, численность, состав и активность почвенных организмов (микроорганизмов, мезо- и макрофауны), ферментативная активность тесно связаны с содержанием и составом органического вещества. Особенно благоприятно эта функция органического вещества проявляется при поступлении в почву свежих органических остатков, богатых азотом и зольными элементами.
4. Определяющее влияние на физико-химические свойства почвы (емкость поглощения, буферность и др.). Это обстоятельство имеет особое значение на легких почвах, отличающихся низкой емкостью поглощения и буферностью их минеральной части.
5. Санитарно-защитные функции в почве. Они проявляются в ускорении детоксикации (разложения) пестицидов, закреплении в малоподвижные формы загрязняющих почву веществ в результате сорбции и комплексообразования. Поэтому допустимые уровни антропогенной нагрузки при поступлении в почву токсичных элементов, пестицидов и других вредных загрязняющих веществ значительно выше на хорошо гумусированных почвах.
В условиях химизации земледелия заметно снижается роль органического вещества как прямого источника элементов питания растений, поскольку регулирование питательного режима в значительной мере осуществляется за счет применения удобрений.
В то же время при интенсивном земледелии в регулировании плодородия возрастают значение санитарно-защитных функций органического вещества, его роль в формировании биологического режима, физических и физико-механических свойств.
Положительная роль отмеченных функций органического вещества в развитии и проявлении почвенного плодородия заметно возрастает в экстремальных условиях (недостаточное или избыточное увлажнение, загрязнение почвенной среды). Разносторонняя агрономическая и экологическая роль органического вещества в функционировании агроландшафтов определяет необходимость постоянной заботы агронома о регулировании органического вещества и его воспроизводстве.
В земледелии существует понятие оптимального уровня содержания гумуса, при котором обеспечивается эффективность механической обработки и максимальная урожайность: В дерново-подзолистых супесчаных –1,6-2 %
Суглинистых – 2,2-2,5 %
Серых лесных – 3-3,5 %
Черноземах – 6-7 %
Для оценки гумусового состояния пахотных горизонтов почв используют следующую систему показателей (по Д. С. Орлову, Л. А. Гришиной):
| I Содержание гумуса в Ап | II Тип гумуса(Сгк/Сфк) |
| – очень высокое > 10% | – гуматный >2 (черноз-выс плод) |
| – высокое 6-10% | – фульватно-гуматный– 2-1 (сер л. - ср плод =1) |
| – очень низкое 2% | – гуматно-фульватный – 1-0,5 |
| – низкое 2-4% | – фульватный <0,5 (дер-подз-низ плод) |
| – среднее 4-6% | |
| III Обогащенность азотом, С:N | IV Запас гумуса в слое 20/100 см, т/га |
| – очень высокая <5 | –очень высокие 200/600 |
| – высокая 5–8 | –высокие 150–200/400–600 |
| – средняя 8–11 | – средние 100–150/200–400 |
| – низкая 11–14 | –низкие 50–100/100–200 |
| – очень низкая >14 | –очень низкие 50/100 |
Определение общего содержания гумуса (органического вещества) в минеральных почвах проводят по И. В. Тюрину в различных модификациях путем мокрого окисления гумуса 0,4 н раствором K2Cr2O7 на серной кислоте.
Тип гумуса определяют путем предварительного извлечения гумусовых веществ смесью 0,1 М раствора пирофосфата натрия с 0,1 н NaOH с рН 13,0 с дальнейшим разделением кислот и сжиганием углерода гуминовых кислот и общего по Тюрину.
Определение общего N производят по Кьельдалю – сжиганием органического вещества, отгонкой аммиака и оттитровыванием его 0,02 н H2SO4.
V – Баланс гумуса – разность между статьями прихода (гумификации) и расхода (минерализации)
– Положительный (приход свежего органического вещества превышает расход – минерализацию)
– Бездефицитный (П=Р)
– Отрицательный (приход органического вещества не компенсирует его убыль).
Расход гумуса рассчитывают по выносу азота растениями. Принимают, что 50 % азота расходуется из почвы.
Например: при урожайности озимой пшеницы 3 т/га вынос азота составит 105 кг.
Вынос из почвы можно рассчитать: В = 105 / 2=52,5 кг / 0,05=1050 кг
Приход гумуса находится по следующей формуле:количество пожнивных остатков (Урожайность зерна х 1,3) х коэффициент гумификации (0,15).
Приход: П = (3000 х 1,3) х 0,15=585 кг = 0,6 т.
Баланс гумуса: Б=П - В=0,6 т - 1,05 т = -0,45 т.
3. Пути регулирования состояния органического вещества почвы
Для формирования благоприятных водно-физических свойств почвы большое значение имеет не только общее содержание гумуса, но и его обновление, создание гидрофильной структуры, которая и способствует разуплотнению почв. Гумус обеспечивает частичную защиту растений и человека от пестицидов и тяжелых металлов за счет их связывания.
Все органические соединения гумуса разделяют на 2 большие части:
1 – консервативные, устойчивые вещества – гуминовые, гиматомелановые кислоты, гуматы, которые определяют тепловой режим, водно-физические и буферные свойства; период полного их разложения составляет сотни и тысячи лет;
2 – лабильная (легкоразлагаемая) группа – состоит из неразложившихся растительных и животных остатков, а также промежуточных продуктов их разложения – детрита; период их полного разложения составляет дни и годы.
Лабильные компоненты органического вещества почвы непосредственно участвуют в питании растений, формируют водопрочную структуру почвы, служат энергетическим материалом для микроорганизмов.
Дефицит лабильных форм органического вещества почвы определяет состояние так называемой «выпаханности», то есть, резкое ухудшение питательного режима и структурного состояния. По данным Дьяконовой К. В. для нашей зоны (на примере Пензенской области) содержание лабильной части органического вещества черноземов кореллирует с содержанием фракции физической глины с коэффициентом регрессии 0,11 (0,5–0,8 %).
Для области проведена группировка почв по состоянию органического вещества:
1 группа – почвы с содержанием гумуса до 5 % с большим дефицитом лабильного гумуса («выпаханные»). Нуждаются в окультуривании, или расширенном воспроизводстве плодородия. В практике сельского хозяйства вероятно более эффективное использование этих почв при оптимизации лабильных органических веществ, для чего необходимо пополнение пожнивных остатков и внесение органических удобрений в размере 9–12 т/га сухого вещества.
2 группа – почвы с содержанием общего гумуса от 5,0 до 6,5 %, с частичным дефицитом лабильной части гумуса (слабовыпаханные). Нуждаются в мероприятиях по оптимизации относительно лабильной части гумуса. Ежегодное пополнение органических удобрений должно составить 6–9 т/га сухого вещества.
3 группа – почвы с содержанием общего гумуса > 6,5 %, с благоприятным соотношением инертной и лабильной части гумуса (окультуренные). При экстенсивном использовании в севооборотах проблем регулирования содержания органического вещества не возникает; а при монокультуре или преобладании в структуре посевных площадей пропашных культур следует организовать поступление 6 т/га пожнивных остатков.
Главными статьями расхода гумуса являются его минерализация и потери при эрозии. Поэтому системой противоэрозионных мероприятий возможно резко снизить эту расходную статью гумусового баланса.
Регулирование гумусного состояния почв осуществляется на основе баланса гумуса – разности между статьями прихода гумуса (гумификации) и расхода гумуса (минерализации).
Расход гумуса рассчитывают по выносу азота растениями в порядке:
1 Вынос N = Общ вынос N урожаем-(Общ вынос N урожаем×Кф);
где Общ вынос N урожаем основной и побочной продукции в кг/га,
Кф – коэффициент азотфиксации (учитывается только для бобовых).
Коэффициент азотфиксации (отношение количества фиксированного азота из атмосферы к общему азоту бобовых) составляет: для однолетних бобово-злаковых смесей 0,1–0,35, для зернобобовых на зерно и сено– 0,40–0,70, люпина – 0,70–0,90, для многолетних бобовых трав – 0,60–0,85.
2 Принимают, что 50 % азота расходуется из почвы:
3 Минерализация гумуса (кг/га) = 1000×(Вынос N (кг/га)/ 50) ×Ккульт×Кгранул,
где 50 – количество почвенного азота, вынесенного растениями и приравниваемого к потере 1 т гумуса;
1000 – коэффициент перевода 1 т гумуса в кг;
Ккульт – поправочный коэффициент, учитывающий влияние культуры:
1,0 – для многолетних трав, для однолетних культур сплошного сева – 1,2, для пропашных –1,6;
Кгранул – поправочный коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава почв: 0,8 – для тяжелого суглинка, 1,0– для среднего суглинка, 1,2– для легкого суглинка, 1,4–для супеси, 1,8–для песка (чем больше аэрация почвы, тем интенсивнее микроорганизмы минерализуют гумус).
Приход гумуса
1 Расчет накопления корневых и пожнивных остатков. Находится из уравнения линейной регрессии, в которой:
у – количество абсолютно-сухого вещества растительных остатков, оставляемое культурой (ц/га);
х – урожайность основной продукции, ц/га.
Такие уравнения регрессии для основных культур следующие:
оз рожь: у=0,6х+8,9 при х=10–25 ц/га; у=0,6х+13,9 при х=26–40 ц/га;
оз пшеница: у=0,9х+5,8 при х=10–25 ц/га; у=0,7х+10,2 при х=26–40 ц/га;
яр пшеница: у=0,8х+(6,5…6,0) при х=10–40 ц/га;
ячмень: у=0,68х+6,5 при х=10–20 ц/га; у=0,4х+13,4 при х=21–50 ц/га;
горох: у=0,66х+7,5 при х=5–20 ц/га; у=0,37х+12,9 при х=21–30 ц/га;
картофель: у=0,08х+4,0 при х=50–200 ц/га; у=0,06х+8,6 при х=201–350 ц/га;
сах. свекла: у=0,038х+4,11 при х=150–400 ц/га;
кукуруза: у=0,57х+9,06 при х=120–450 ц/га;
бобово-злаковая смесь (сено): у=0,24х+35,11 при х=20–100 ц/га.
2 Накопление гумуса из растительных остатков (гумификация):
Гумус (кг/га) =Раст. остатки (ц/га)×100×Кгум;
где Кгум – коэффициент гумификации (изогумусовый коэффициент), равный для культур: зерновых, зернобобовых и многолетних трав –0,25, свеклы, кукурузы, силосных культур – 0,15, овощей и картофеля – 0,08, промежуточных посевов зернобобовых, зерновых и бобовых – 0,25, крестоцветных – 0,15, для соломы при использовании на удобрение – 0,25, для многолетних трав – 0,50.
При отрицательном балансе гумуса восполнение его дефицита может производиться за счет органических удобрений, соломы и сидератов.
Для нахождения дозы вносимого органического удобрения (т/га) следует умножить дефицит гумуса (кг) на коэффициент 12,5, где:
12,5 – коэффициент гумификации сухого вещества из навоза (из 1 т стандартного подстилочного навоза получается 80 кг гумуса, 1000/80=12,5).
Каждая тонна среднего по качеству навоза дает около 40 кг углерода, или, 65–75 кг гумуса. Каждая тонна соломы, используемой на удобрение, дает 100 кг углерода, или, 170–180 кг гумуса. При урожае сена многолетних трав 4–5 т/га содержание углерода в почве повышается на 0,5–0,6 т/га (800–900 кг/га гумуса).
Минеральные удобрения могут влиять на гумусовый баланс лишь косвенно – с повышением урожая количество оставляемой в поле растительной массы увеличивается. Возможно затормаживающее действие минеральных удобрений на процессы минерализации гумуса.
Решающие меры для повышения гумусированности (а также микробиологической активности) интенсивно используемых почв:
– возрастающее применение органических удобрений,
– экономически обоснованное расширение площади под многолетними травами, введение в севооборот промежуточных культур на удобрение.
– замена чистого парования использованием занятых паров, выращивать в севообороте сидераты. Пребывание в парующем состоянии 10 % площади Нечерноземной зоны обусловливает минерализацию примерно 1,5 т/га углерода.
– использование соломы
– использование вермикомпостов
– использование биопрепаратов (полученных с участием живых организмов, либо содержащих живые штаммы микроорганизмов) для повышения биологической активности – гумат калия, триходермин, Байкал ЭМ1.
Одним из преимуществ сидератов перед прочими органическими удобрениями (навоз, солома) является рыхление подпочвы (преимущество у злаково-бобовых травосмесей на сидерацию).
Выбор вида зеленых удобрений (сидератов) определялся характером их действия: для обогащения почвы азотом используются бобовые сидераты, а для улучшения структуры верхнего слоя почвы – злаки и гречиха.
Среди бобовых это, прежде всего, эспарцет виколистный, а также люцерна посевная и вика яровая. Из других куль тур наиболее приемлемыми оказались гречиха посевная, рожь озимая и смеси культур (вика яровая и овес посевной).
Было установлено, что высокая сидеральная продуктивность присуща именно эспарцету виколистному. После его уборки в почву поступает более 10 т/га органического вещества, обогащенного большим количеством элементов питания, прежде всего азотом и фосфором. Он равномерно распределяется по пахотному слою почвы и по содержанию углерода эквивалентен 40,5 т навоза. После того как корневая система отмирает и разлагается, остаются корневые ходы, по которым в глубинные слои проходят вода и воздух. Все это способствует обогащению пахотного слоя почвы не только корневыми остатками, но и приводит к формированию неконсервативной фракции гумуса, а его лабильной части: органического вещества, которое легко разлагается.
Основное предназначение эффективных микроорганизмов в биопрепаратах (например, Байкал ЭМ1 ) – ускоренная ферментация органики. Эффект ускоренного повышения плодородия почвы достигается двухразовой обработкой ее препаратом «Байкал ЭМ1»: первый раз – после летне-осенней вспашки, второй – перед предпосевной культивацией.
Для условий Республики Мордовия А. С. Щетининой установлено, что для поддержания бездефицитного баланса гумуса требуется вносить на дерново-подзолистых и светло-серых лесных почвах не менее 15, серых и темно-серых – на менее 10–13, и черноземах выщелоченных и оподзоленных – 7–8 т/га сухого подстилочного навоза.
В районах свеклосеяния с насыщенностью пропашными культурами 50 % всю солому целесообразно использовать только для удобрения (с измельчением при уборке зерновых). Для снижения иммобилизации азота микрофлорой почвы к соломе нужно добавить 1–2 % минерального азота.
По данным Смолина Н. В. (1998) применение соломы в качестве органического удобрения в зерновом севообороте на фоне умеренной дозы минеральных удобрений и средств защиты растений обеспечивает положительный баланс гумуса.