Баланс органического вещества почвы это

Глава 4. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ И ЕГО СОСТАВ

§1. Источники органического вещества и его состав

Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом.

Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).

Растительный опад различается не только количественно, но и качественно (см. главу 2). Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.

Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO₂) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.

В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород. Состав органического вещества можно представить следующим образом (рис.6).

§2. Трансформация органического вещества в почве

Превращение органических остатков в гумус – сложный биохимический процесс, совершающийся в почве при непосредственном участии микроорганизмов, животных, кислорода воздуха и воды. В этом процессе главная и решающая роль принадлежит микроорганизмам, которые участвуют во всех этапах образования гумуса, чему способствует огромная населенность почв микрофлорой. Животные, населяющие почву, тоже активно участвуют в превращении органических остатков в гумус. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, заглатывают, перерабатывают и выбрасывают неиспользованную часть в виде экскрементов в толщу почвы.

Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются процессам разложения до более простых соединений, конечной стадией которых является полная минерализация органического вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются растениями как элементы питания. Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал; достаточно хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; устойчивы – лигнин, смолы, воски. Другая часть продуктов разложения потребляется самими микроорганизмами (гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Процесс временного удержания органического вещества в микробной клетке называется микробным синтезом. Часть продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества – гумусовые вещества. Совокупность сложных биохимических и физико-химических процессов превращения органического вещества, в результате которых образуется специфическое органические вещество почвы – гумус, называется гумификацией. Все три процесса идут в почве одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Трансформация органического вещества происходит при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, корнями растений, под влиянием которых осуществляются биохимические реакции гидролиза, окисления, восстановления, брожения и т.д. и образуется гумус.

Существует несколько теорий гумусообразования. Первой в 1952 году появилась конденсационная теория, разработанная М.М.Кононовой. В соответствии с этой теорией образование гумуса идет как постепенный процесс поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ (сначала образуются фульвокислоты, а из них – гуминовые). Концепция биохимического окисления разработана Л.Н.Александровой в 70-е годы XX в. Согласно ей, ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления продуктов разложения, в результате которых образуется система высокомолекулярных гумусовых кислот переменного элементного состава. Гумусовые кислоты вступают во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, освобождающимися в процессе минерализации последних, а также с минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные гумусовых кислот. При этом происходит расщепление единой системы кислот на ряд фракций, различных по степени растворимости и строению молекулы. Менее дисперсная часть, образующая с кальцием и полуторными оксидами нерастворимые в воде соли, формируется как группа гуминовых кислот. Более дисперсная фракция, дающая преимущественно растворимые соли, образует группу фульвокислот. Биологические концепции гумусообразовапия предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р.Вильямсом, она получила развитие в работах Ф.Ю.Гельцера, С.П.Ляха, Д.Г.Звягинцева и др.

В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования неодинаковы и зависят от взаимосвязанных условий почвообразования: водно-воздушного и теплового режимов почвы, её гранулометрического состава и физико-химических свойств, состава и характера поступления растительных остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных условиях в зависимости от водно-воздушного режима. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в почве, благоприятной температуре и свободном доступе О₂ процесс разложения органических остатков развивается интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же условиях быстро идет минерализация как промежуточных продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и других почвах субтропиков).

В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, а также при низких температурах, недостатке О₂) процессы гумусообразования идут медленно при участии, главным образом, анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН₄, H₂S), угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, и органические остатки превращаются в торф – массу слаборазложившихся и неразложившихся растительных остатков, частично сохранивших анатомическую структуру. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве аэробных и анаэробных условий с чередованием периодов иссушение и увлажнения. Такой режим характерен для черноземов.

Видовой состав почвенных микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности также влияют на образование гумуса. Северные подзолистые почвы в результате специфических гидротермических условий характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с небольшим видовым разнообразием и низкой жизнедеятельностью. Следствием этого является медленное разложение растительных остатков и накопление слаборазложенного торфа. Во влажных субтропиках и тропиках отмечаются интенсивное развитие микробиологической деятельности и в связи с этим активная минерализация остатков. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с разным количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как очень слабая, так и высокая биогенность почвы не способствует накоплению гумуса. Наибольшее количество гумуса накапливается в почвах со средним содержанием микроорганизмов (черноземы).

Гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы имеют не менее значительное влияние. В песчаных и супесчаных хорошо прогреваемых и аэрируемых почвах разложение органических остатков идет быстро, значительная часть их минерализуется, гумусовые веществ мало и они плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при равных условиях происходит медленнее (из-за недостатка О₂), гумусовых вещества закрепляются на поверхности минеральных частиц и накапливаются в почве.

Химический и минералогический состав почвы определяет количество питательных веществ, необходимых для микроорганизмов, реакцию среды, в которой идет образование гумуса, и условия для закрепления гумусовых веществ в почве. Так, почвы, насыщенные кальцием, имеют нейтральную реакцию, которая благоприятна для развития бактерий и закрепления гуминовых кислот в виде нерастворимых в воде гуматов кальция, что обогащает ее гумусом. В кислой среде при насыщенности почв водородом и алюминием образуются растворимые фульвокислоты, которые имеют повышенную подвижность и ведут к большому накоплению гумуса. Закреплению гумуса в почве способствуют также глинистые минералы типа монтмориллонита и вермикулита.

В связи с различием в факторах, влияющих на образование гумуса, в разных почвах количество, качество и запасы гумуса неодинаковы. Так, в верхних горизонтах черноземов типичных содержится 10 – 14 % гумуса, серых темных лесных – 4 – 9 %, дерново-подзолистых – 2 – 3 %, темных каштановых, желтоземах – 4 – 5 %, бурых и серо-бурых полупустынных – 1 – 2 %. Запасы органического вещества в природных зонах также различны. Наибольшие запасы, по данным И.В.Тюрина, имеют различные подтипы черноземов, торфяники, серые лесные, средние – темно-каштановые, красноземы, низкие – подзолистые, дерново-подзолистые, сероземы типичные. В пахотных почвах Республики Беларусь содержится гумуса: в глинистых – 65 т/га, в суглинистых – 52 т/га, в супесчаных – 47 т/га, в песчаных – 35 т/га. Почвы Республики Беларусь в зависимости от содержания гумуса в пахотном слое делятся на 6 групп (табл. 3). В почвах других природных зон существуют свои градации в зависимости от содержания гумуса.

Группировка почв Республики Беларусь по содержанию гумуса

Источник

Сельское хозяйство | UniversityAgro.ru

Агрономия, земледелие, сельское хозяйство

Home » Агрохимия » Баланс питательных веществ почвы

Баланс питательных веществ почвы

Круговорот питательных веществ

Интенсивность биологического круговорота — количество химических элементов, содержащихся в приросте фитоценоза на единицу площади за интервал времени.

Одной из задач агрохимии является оценка направленности круговорота биогенных элементов и степень интенсивности антропогенного воздействия на систему почва-растение в балансе питательных веществ в агроценозе, а также создание условии для рационального круговорота питательных веществ в земледелии и обеспечение их положительного баланса, для оптимизации питания сельскохозяйственных культур путем применения научно-обоснованной системы удобрений в севообороте.

В 1825 году впервые в России профессором Московского университета М.Г. Павловым был издан научный труд «Земледельческая химия», в котором он обосновывает задачу повышения плодородия почв за счет увеличения в почве питательных веществ или по крайней мере возвращение того, что взято растениями. Развитие исследования баланса питательных веществ в агрохимии началось с издания работы Ю. Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840) и учения о полном возврате в почву минеральных веществ, взятых из нее урожаем растений.

Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу уделил основоположник отечественной агрохимии Д.Н. Прянишников. Он писал, что развитие химической промышленности является одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии, их обмена между человеком и природой. Он отмечал, что если истощение почв в результате нарушения обмена веществ между человеком и землей нарушает «естественное условие постоянного плодородия почвы», то широкое применение удобрений, базирующееся на химической промышленности, является одним из мощных факторов не только поддержания на постоянном уровне (как это считал Ю. Либих), но и дальнейшего повышения плодородия почвы, как это можно видеть на историческом примере роста урожаев в западноевропейских странах с повышением уровня химизации.

Хозяйственная деятельность человека, включающая интенсификацию сельскохозяйственного производства и химизацию, приводит к изменениям в процессах превращения веществ и энергии в природе. Так, происходят изменения в цикле азота в биосфере при переходе от естественного состояния почвы к состоянию при интенсивной обработке. В почвах естественных биоценозов потери азота от улетучивания и денитрификации уравновешиваются его поступлением с атмосферными осадками и биологической фиксации.

Цикл азота в биосфере при естественном состоянии почвы

Цикл азота в биосфере при интенсивной обработке почвы

При освоении земельного участка под интенсивное сельскохозяйственное производство, цикл азота претерпевает изменения. При этом потери азота из системы превышают его поступление, что приводит к обеднению почвы этим элементом. При сельскохозяйственном освоении земель увеличивается число путей потерь азота из системы: наряду с газообразными потерями азота из почвы увеличивается вымывание нитратов. Азот выводится из системы и при сжигании растительных остатков. Значительные количества отчуждаются при использовании сельскохозяйственной продукции на промышленные и иные нужды, а также поглощается сорной растительностью.

Естественное поступление азота в цикл происходит за счет биологической фиксации и с осадками. Только внесением азотных удобрений и навоза возможно устранить дефицит в азотном балансе и создать условия для сохранения и повышения плодородия. Потери азота и других питательных веществ вызывают эвтрофикацию водоемов, загрязняют грунтовые воды и обуславливают ряд нежелательных явлений в окружающей среде.

Не имеет значения в какой форме вносится азот в почву — в составе органических или минеральных удобрений, нитратной, аммиачной, амидной или молекулярной, фиксированной бобовыми культурами — в конечном счете в растениях в синтезе аминокислот и белков принимает участие только восстановленная аммонийная форма азота (NH₄ + ). Все остальные формы восстанавливаются до аммония в процессе химического или биологического превращения в почве или в растениях.

Органические и минеральные удобрения как источники питательных веществ равноценны. Однако органические удобрения более предпочтительны, так как менее концентрированы. Например, по азоту 0,1 т мочевины равноценна 10 т навоза. Нарушения в технологии применения минеральных удобрений приводит к созданию высоких концентраций питательных веществ в почве, которые, поступая в избыточном количестве в растения, ухудшают качество продукции или вызывают аммиачное отравление растений. Минерализация органических удобрений происходит медленно и не создает повышенных концентраций минеральных солей.

Баланс питательных веществ

Баланс питательных веществ — это количественное выражение содержания питательных веществ в почве конкретной площади с учетом всех статей поступления и расхода в течение определенного промежутка времени.

Источники поступления питательных веществ:

минеральные удобрения;
органические удобрения;
растительные остатки;
посевной материал;
биологическая фиксация азота;
атмосферные осадки.

Расходную часть составляют:

вынос с урожаем основной и побочной продукции;
вынос с растительными остатками;
вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности;
потери от эрозионных процессов;
газообразные потери.

Для исследовательских целей количественные величины статей баланса принимаются на основании экспериментальных данных, для практических — справочные данные.

Для проведения теоретических исследований с учетом всех статей баланса используют метод с использованием лизиметра. Этот метод позволяет определить закономерности изменения статей баланса и дать научное объяснение. В этих опытах применяют удобрения с мечеными атомами. Так, согласно результатам лизиметрических исследований, проведенных во ВНИИ удобрений и агропочвоведения на дерново-подзолистых почвах Нечерноземья с помощью стабильного изотопа азота 15 N, 30-60% азота внесенного удобрения используют растения, 15-30% — аккумулируется в почве, 10-30% — теряется в результате улетучивания в атмосферу и 1-5% — вымывается водами.

В практических целях применяют данные по биологическому, хозяйственному и внешнехозяйственному балансам.

Биологический баланс охватывает все статьи поступления и расхода питательных веществ, участвующих в круговороте. Его используют при оценке системы удобрения культур и специализированных севооборотов.

Хозяйственный баланс учитывает только вынос питательных веществ с основной и побочной продукцией и поступление за счет внесения удобрений. Расчет хозяйственного баланса дает достаточно объективную агроэкономическую оценку системе удобрения.

Внешнехозяйственный баланс учитывает отчуждение питательных элементов с товарной продукцией за пределы хозяйства и поступление их с минеральными удобрениями. Этот вида баланса имеет значение для распределения удобрений и определяется специализацией хозяйства. При специализации агропредприятия на производстве товарной продукции, баланс более дефицитным, чем на предприятиях животноводческой специализации, так как часть питательных веществ, отчуждаемая с полей в виде кормов, возвращается обратно в виде навоза.

Исследования баланса питательных веществ в длительных стационарных опытах с удобрениями позволяют учитывать многолетнее внесение по ротациям севооборота питательных элементов и вынос их с урожаями. Опыты проводятся в близких к производственным условиях, поэтому получаемые данные применимы в научных и практических целях.

Основной статьей расхода является вынос питательных веществ с урожаем. Размер выноса применительно к конкретным культурам, сортовым особенностям и почвенно-климатическим условиям может отличаться от справочных данных.

Источник

Баланс органического вещества почвы это