Биологические показатели плодородия почв и их воспроизводство

Различные группы органических соединений взаимодействуют с минеральной частью почвы и закрепляются в ней. Органическое вещество – единственный источник энергии для развития почвы, формирования ее плодородия. Основным источником первичного органического вещества, поступающего в почву под естественной растительностью, служат остатки растений.

Агрономическое значение растительных остатков в интенсивном земледелии особенно велико. Во-первых, они ежегодно удобряют почву после уборки урожая, в то время как органические удобрения вносят в почву периодически. Во-вторых, не требуются дополнительные затраты на их внесение. В-третьих, растительные остатки распределяются в почве наиболее равномерно. В них содержатся все макро- и микроэлементы, необходимые растениям.

Растительные остатки  разделяют на три группы: пожнивные, листостебельные и корневые. Пожнивные остатки представлены стерней зерновых культур, частями стеблей, листьев и всех других надземных частей растений, которые остаются в поле после уборки урожая. Листостебельные части растений включают корневища, столоны картофеля, корневые шейки клевера, люцерны и других трав, остатки клубней, корнеплодов, луковиц. Корневые остатки растений представлены корнями выращиваемой культуры, сохранившимся к моменту уборки живыми, а также отмершими.

По количеству органического  вещества, оставляемого после уборки, основные полевые культуры можно разделить на три группы.

Первую группу составляют многолетние бобовые и мятликовые травы, оставляющие в почве наибольшее количество органического вещества. Более благоприятное действие бобовых многолетних трав на плодородие почвы и урожай последующих культур объясняется их способностью фиксировать атмосферный азот воздуха и накапливать больше корневых и пожнивных остатков.

Вторую группу составляют однолетние зерновые и зерновые бобовые  культуры сплошного посева. Они оставляют  в почве значительно меньше органического  вещества, чем многолетние травы, а зерновые бобовые в меньшей степени фиксируют азот воздуха. Однако однолетние культуры по этому показателю сильно различаются. Такие растения, как райграс и его смеси с однолетними бобовыми культурами, по количеству оставляемых в почве растительных остатков мало уступают многолетним травам и значительно превосходят другие однолетние культуры. Озимые культуры оставляют в почве больше органического вещества, чем яровые зерновые и зерновые бобовые. После уборки однолетних зерновых и зерновых бобовых культур в почве остается 1,5-3,0 т/га органического вещества.

В третью группу входят пропашные  культуры, которые оставляют в  почве после уборки наименьшее количество органического вещества.

В почве при выращивании  растений одновременно происходят два противоположных процесса: синтез и разрушение. Интенсивность обоих процессов, их соотношение определяют конечный результат. Если содержание органического вещества увеличивается, то культура обладает свойством улучшать плодородие, и наоборот. На процессы накопления и разрушения органического вещества влияют технологические приемы возделывания растений.

Наряду с количеством  растительных остатков важное значение имеют их химический состав и скорость разложения в почве. Так, растительные остатки многолетних трав содержат больше элементов питания, чем другие культуры.

Химический состав корней многолетних трав с возрастом  изменяется. Чем старше растения, тем  меньше в их корнях содержится азота  и зольных элементов.

Растительные остатки  однолетних культур (кроме бобовых) беднее питательными элементами по сравнению с многолетними травами. Растительные остатки зерновых культур содержат меньше питательных веществ, чем растительные остатки бобовых.

Корни и пожнивные  остатки растений после отмирания  под действием микроорганизмов и почвенной фауны разлагаются. Микрофлора использует органический материал в качестве пищи и энергии. На ход и темпы разложения влияют внешние условия среды (влажность, температура, рН почвы, содержание в ней кислорода и питательных веществ) и химический состав растительных остатков.

Превращение первичного органического вещества в почве  происходит в несколько этапов.

На первом этапе происходит химическое взаимодействие между отдельными химическими веществами отмершего растения. Например, ароматические соединения клеточных оболочек могут вступать в химические реакции с белками растительных клеток. Этот процесс можно ускорить с помощью биологических и минеральных катализаторов.

На втором этапе происходит механическое перемешивание почвенной фауной растительных остатков с почвой. Возможно, на этом этапе осуществляется и определенная биохимическая подготовка первичного органического вещества к микробному разложению при прохождении растительной массы через желудочно-кишечный тракт почвенных животных.

На третьем этапе  превращения свежего органического  вещества в почве происходит минерализация  его с помощью микроорганизмов. В первую очередь минерализуются водорастворимые органические соединения, а также крахмал, пектин и белковые вещества. Значительно медленнее минерализуется целлюлоза, при разложении которой освобождается лигнин – соединение, весьма устойчивое к микробиологическому расщеплению.

Основную часть органического  вещества почвы (85-90%) составляют специфические  гумусовые вещества. Это более или менее темноокрашенные азотосодержащие высокомолекулярные соединения кислой природы. Они представлены гумусовыми кислотами (гуминовые и фульвокислоты), прогуминовыми веществами – типа «молодых» гуминоподобных продуктов и гуминами. Прогуминовые вещества сходны с промежуточными продуктами распада органических остатков. Разделяющая их граница условна и расплывчата.

Гуминовые кислоты (ГК) –  фракция темноокрашенных, азотосодержащих, высокомолекулярных соединений. Гуминовые кислоты содержат 46-62% углерода, 32-38 – кислорода, 3-5 – водорода, 3-6% азота.

Кроме этих четырех элементов  ГК содержат серу (от десятых долей  процента до 1,0-1,2%), фосфор (сотые и десятые доли процента) и катионы различных металлов.

Фульвокислоты (ФК) –  высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты. В состав ФК входят: углерод 36-40%, кислород 45-50%, водород 3-5, азот 3-4,5%. От ГК они отличаются пониженным содержанием углерода и повышенным – кислорода. В состав ФК, как и в состав ГК, входят сера, фосфор и различные металлы.

Гумины – наиболее инертная часть гумусовых веществ, не извлекаемая из почвы растворами кислот, щелочей или органическими растворителями.

Один из важнейших  показателей гумусового состояния  пахотного слоя почвы – запас  гумуса.

Запас гумуса в пахотном 0-20-сантиметровом слое почвы оценивается, по Л.А.Гришиной и Д.С.Орлову, следующими показателями: очень низкий – менее 50 т/га, низк5ий – 50-100, средний - 100-150, высокий – 150-200, очень высокий – более 200т/га.

В современном земледелии баланс органического вещества часто остается отрицательным. Основными причинами потерь гумуса пахотными почвами являются:

несбалансированность  структуры посевных площадей по массе  растительных остатков, поступающих в почву;

усиление минерализации  органического вещества в результате интенсивной обработки и повышения степени аэрации почв;

разложение и биодеградация  гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений;

усиление минерализации  в результате осушительной и оросительной мелиораций;

эрозия почв.

Обязательным условием обеспечения стабильного земледелия является воспроизводство органического вещества. Оно означает одновременно воспроизводство большей части биологических, агрофизических и агрохимических факторов плодородия.

Важнейшим фактором воспроизводства  органического вещества в пахотных почвах являются полевые культуры. Их роль определяется биологическими особенностями и технологией возделывания. Если в естественных ценозах вся растительная масса поступает в почву, аккумулируя в верхнем слое углерод, азот и зольные элементы, то в агроценозах с поля отчуждается большая часть накопленной массы растений и баланс названных элементов в почве не может не быть бездифицитным.

В корневых остатках зерновых культур значительно больше азота  и фосфора, в стерне – калия. Корневая масса по содержанию азота и углерода биологически более ценна, чем стеблевые остатки, отличающиеся широким отношением С: N.

Органические удобрения, прежде всего навоз, позволяют в  значительной мере перевести минеральные  удобрения в органически связанную  форму. растительные остатки сельскохозяйственных культур в современном земледелии превышают в балансе органического вещества почвы количество вносимого навоза примерно в 2 раза. Однако резервы увеличения доли растительных остатков в балансе гумуса почти исчерпаны, тогда как резервы увеличения органических удобрений меняются.

Механическая обработка  почвы – один из наиболее существенных факторов, обусловливающих разложение органического вещества почвы. Разрыхление почвы способствует активизации почвенной микрофлоры и разложению органического вещества с образованием доступных форм азота и последующим вымыванием в условиях промывного режима почвы или восстановлением до свободного азота. Наиболее заметное снижение содержания органического вещества происходит при распашке целинных почв в первые годы. При уменьшении интенсивности обработки почвы (снижение глубины обработки, сокращение количества технологических приемов) темпы разложения органического вещества замедляются.