Биологический круговорот веществ почва

САДик ДОМик

Рассада перца и помидор хоть и высевается в одно время, и растения похожи внешне, но перец и томат требуют разного ухода и разного подхода к подкормке рассады.

Геологический и биологический круговороты веществ

Образование и жизнь почвы неразрывно связаны с процессами круговорота веществ.До появления зеленых растений на планете происходили различные геологические процессы и существовал геологический круговорот веществ.

Геологический круговорот веществ представляет собой совокупность процессов обмена веществом между сушей и морем и состоит из:
1) континентального выветривания горных пород, в результате чего образуются подвижные соединения;
2) переноса этих соединений с суши в моря и океаны;
3) отложения осадочных пород на дне океанов морей с их последующим преобразованием;
4) нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность.

Геологический круговорот идет миллионы и миллиарды лет, охватывает до нескольких километров литосферы. Движущей силой его является выветривание. Процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и составляющих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы называется выветриванием. На горную породу совместно воздействуют живые организмы, атмосферная вода, газы и температура. Все эти факторы оказывают на нее разрушающее действие одновременно. В зависимости от преобладающего фактора различают три формы выветривания: физическое, химическое и биологическое.

Физическое выветривание – это механическое разрушение горных пород на обломки различной величины без изменения химического состава образующих их минералов. Главный фактор физического выветривания — колебание суточных и сезонных температур, действие замерзающей воды, ветра. При нагревании происходит расширение минералов, входящих в горную породу. А поскольку различные минералы имеют разные коэффициенты объемного и линейного расширения, возникают местные давления, разрушающие породу. Этот процесс происходит в местах контакта различных минералов и пород. При чередовании нагревания и охлаждения между кристаллами образуются трещины. Проникая в мелкие трещины, вода создает такое капиллярное давление, при котором даже самые твердые породы разрушаются. При замерзании вода увеличивает эти трещины. В условиях жаркого климата в трещины попадает вода вместе с растворенными солями, кристаллы которых также разрушающе действуют на породу. Таким образом, в течение длительного времени образуется множество трещин, приводящих к ее полному механическому разрушению. Разрушенные породы приобретают способность пропускать и удерживать воду. В результате раздробления массивных пород сильно увеличивается общая поверхность, с которой соприкасаются вода и газы. А это обусловливает протекание химических процессов.

Химическое выветривание приводит к образованию новых соединений и минералов, отличающихся по химическому составу от минералов первичных. Факторы этого вида выветривания – вода с растворенными в ней солями и углекислым газом, а также кислород воздуха. Химическое выветривание включает следующие процессы: растворение, гидролиз, гидратацию, окисление. Растворяющее действие воды усиливается с повышением температуры. Если в воде содержится углекислый газ, то в кислой среде минералы разрушаются быстрее. В результате выветривания магматических пород получаются остаточные образования, переотложенные осадки и растворимые соли.

До возникновения жизни на Земном шаре разрушение горных пород шло только двумя вышеназванными путями, но с появлением органической жизни возникли новые процессы выветривания – биологические.

Биологическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горных пород под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Этот вид выветривания связан с почвообразованием. Если при физическом и химическом выветривании происходит только превращение магматических горных пород в осадочные, то при биологическом выветривании образуется почва, и в ней накапливаются элементы питания для растений и органическое вещество.

В почвообразовательном процессе участвуют бактерии, грибы, актиномицеты, зеленые растения, а также различные животные. Многочисленные микроорганизмы, особенно хемосинтезирующие, разлагают горные породы. Так, нитрифицирующие бактерии образуют сильную азотную кислоту, а серобактерии – серную кислоту, которые энергично разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Силикатные бактерии, выделяя органические кислоты и углекислый газ, разрушают полевые шпаты, фосфориты и переводят калий и фосфор в доступную растениям форму. Водоросли (диатомовые, сине-зеленые, зеленые и др.), мхи и лишайники также разрушают горные породы.

Зеленые растения выделяют органические кислоты и другие биогенные вещества, которые взаимодействуют с минеральной частью, образуя сложные органо-минеральные соединения. Корневые системы избирательно усваивают зольные элементы, а после отмирания растений происходит накопление в верхних почвенных горизонтах азота, фосфора, калия, кальция, серы и других биогенных элементов. Кроме того, корни растений, особенно древесных, проникая в глубь горных пород по трещинам, оказывают давление на породы и разрушают их механически. Таким образом, под влиянием физического, химического и биологического выветривания горные породы, разрушаясь, обогащаются мелкоземом, глинистыми и коллоидными частицами, приобретают влагоемкость, поглотительную способность, становятся водо- и воздухопроницаемыми; в них накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. Это приводит к возникновению существенного свойства почвы – плодородия, которого не имеют горные породы.

На фоне большого геологического круговорота веществ идет малый биологический круговорот веществ, который представляет собой обмен веществом в системе «почва – растение». Особенностью этого круговорота является избирательность поглощения организмами веществ, цикличность, непродолжительность, охватывает метровые слои литосферы, движущей силой является почвообразование. Биологический круговорот веществ лежит в основе сельскохозяйственного производства.

Круговороты веществ между собой взаимосвязаны, биологический идет на фоне геологического, поэтому вещества могут попадать из одного круговорота в другой. Для поддержания почвенного плодородия необходимо создавать такие условия, при которых биологический круговорот получал бы наиболее полное выражение, а геологический – ограничивался в своем проявлении.

Источник

Биологический и геологический круговороты

Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами: он осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли и представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

Геологический круговорот связан с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения — обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лучей, теплопроводность и теплоемкость. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и современных геосфер. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и другие — участвуют в большом круговороте, проходя от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации

магмы, поступив на поверхность литосферы из глубин Земли, подвергается разложению, выветриванию в области биосферы. Продукты выветривания переходят в подвижное состояние, сносятся водами, ветром в пониженные места рельефа, попадают в реки, океан и образуют мощные толщи осадочных пород, которые со временем, погружаясь на глубину в областях с повышенной температурой и давлением, подвергаются метаморфозу, т. е. «переплавляются». При этой переплавке возникает новая метаморфическая порода, поступающая в верхние горизонты земной коры и вновь входящая в круговорот веществ (рис. 32).

Рис. 32. Геологический (большой) круговорот веществ

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества — газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Малый, или биологический, круговорот веществ— это

циркуляция веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — создания органических веществ и их разрушения. Начальный этап возникновения органических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, магния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I порядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включающую белки, жиры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разрушения микроорганизмами (редуцентами) органических веществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следующий виток биологического круговорота (рис. 33).

Источник

Круговорот и баланс питательных элементов в почве

Под биологическим круговоротом элементов питания на земле понимается совокупность процессов поступления химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, биохимический синтез новых сложных соединений и возвращение элементов в почву и атмосферу с ежегодным растительным ападом части органического вещества, остатков корней.

Для оптимизации питания растений очень важно оценить направленность круговорота биогенных элементов и степени интенсивности антропогенного воздействия на систему почва – растение по балансу элементов питания в агроценозе. Агрохимия, с одной стороны, исследует влияние разных типов почв и удобрений на обмен веществ в растении, на формирование урожая, его величину и качество, с другой – изучает влияние растений на плодородие почвы, взаимоотношения почвы и удобрений. В связи с этим одной из задач агрохимии является изучение круговорота элементов питания в земледелии. Круговорот веществ в земледелии представлен на рис. 1.

Создание необходимых условий для рационального круговорота питательных веществ в земледелии, их положительный баланс на почвах, недостаточно плодородных, и бездефицитный на окультуренных – важнейшая задача агрохимии.

Оценка состояния баланса элементов питания в системе почва – растение – удобрение является важной характеристикой эффективности использования минеральных и органических удобрений в сельскохозяйственном производстве.

Показатели баланса отражают пути превращения и расхода элементов питания минеральных и органических удобрений, долю элементов питания, продуктивно используемую и отчуждаемую растениями из почвы и воспроизводимую за счет органических и минеральных удобрений. Баланс элементов питания в системе почва – растение – удобрение составляет часть общего процесса взаимодействия элементов питания и относится к малому биологическому круговороту.

Баланс – термин, заимствованный из экономики, который характеризует равенство прихода и расхода.

Баланс элементов питания – это математическое выражение круговорота элементов питания в земледелии. Определение баланса питательных элементов является научной основой планирования и прогнозирования применения минеральных удобрений, распределения их между районами и хозяйствами, позволяет целенаправленно регулировать плодородие, предохранять окружающую среду от загрязнения удобрениями. Баланс основных элементов питания отражает степень интенсификации сельскохозяйственного производства.

Рис. 1. Круговорот веществ в земледелии

Баланс элементов питания в системе удобрение – почва – растение оценивается по разности между суммарным их количеством, поступившим в почву и отчуждаемым из нее. Таким образом, баланс питательных элементов в почве состоит из приходной и расходной частей.

В приходную часть баланса входит поступление питательных элементов в почву с удобрениями, семенами, из атмосферы, в том числе азот, продуцируемый клубеньковыми бактериями бобовых культур (симбиотический) и свободноживущими бактериями – азотфиксаторами (несимбиотический азот).

Расходная часть баланса включает хозяйственный вынос питательных элементов (с отчуждаемой с поля частью урожая), потери элементов питания из почвы и удобрений с поверхностными водами от вымывания, эрозии, испарения и газообразные потери (азота).

В результате сельскохозяйственного использования почвы претерпевают существенные изменения, при этом изменяется интенсивность процессов превращения и миграции элементов питания, потребления и вынос их растениями. Величина потребления и потерь элементов питания зависит от гранулометрического состава и степени окультуренности почвы, характера ее сельскохозяйственного использования, вида, доз и сроков использования удобрений, агротехнических приемов и других условий. Это делает необходимым периодическое уточнение приходных и расходных статей баланса элементов питания. Для объективной характеристики степени обеспеченности планируемых урожаев элементами питания целесообразно иметь балансовые расчеты не менее чем за 5 лет.

Различают несколько видов баланса питательных элементов: биологический (полный или экологический), внешнехозяйственный, хозяйственный, дифференцированный и эффективный.

Биологический (полный) баланс дает полное представление о кругообороте элементов, так как учитывает все источники поступления питательных элементов в почву (с удобрениями, семенами, из атмосферы, биологический азот) и все статьи расхода элементов питания (вынос с основной и побочной продукцией, отчуждаемой с поля, содержание в корневых и послеуборочных остатках, поверхностный сток, вымывание и газообразные потери).

При внешнехозяйственном балансе сопоставляются количество питательных элементов, отчуждаемое с территории хозяйства с товарной продукцией растениеводства и животноводства, и поступление их с минеральными удобрениями, комбикормами, органическими удобрениями, приобретаемыми хозяйством (торф, сапропели, лигнин, торфо-навозные компосты и др.). На внешнехозяйственный баланс влияет специализация хозяйства. Так, в хозяйствах, специализирующихся на производстве продукции животноводства и использующих собственные корма, с органическими удобрениями в почву возвращается 80–90 % калия, 60–70 фосфора и 40–50 % азота, вынесенных с кормами. В хозяйствах зернового направления с территории хозяйства отчуждается 60–80 % азота, 70–85 фосфора и 15–35 % калия от вынесенных урожаем.

Дифференцированный – при расчетах этого вида баланса количество минеральных удобрений относится не на всю площадь земель, а только на площадь их первоочередного использования.

Эффективный – определяется с учетом возможных коэффициентов использования элементов питания в год их внесения или за ротацию севооборота.

Баланс элементов питания оценивается показателями дефицита элементов питания или их избытком, интенсивностью, структурой, емкостью, реутилизацией и утилизацией.

Дефицит или избыток элементов питания представляет разницу между всеми источниками их поступления и расхода и выражается в абсолютных (кг, т) или относительных величинах на всю площадь или единицу площади.

Емкость – сумма выноса из почвы и всех статей возмещения элементов питания. Она характеризует мощность круговорота веществ. Чем больше емкость, тем интенсивнее земледелие в исследуемом регионе, области, хозяйстве.

Структура – характеризует долевое участие отдельных статей прихода и расхода элементов питания. Анализ структуры баланса позволяет оценить источники поступления, затраты на производство единицы продукции.

Реутилизация – определяется как отношение поступления в почву элементов питания с органическими удобрениями к выносу их урожаем, т. е. реутилизация характеризует повторное использование элементов питания, поступивших с минеральными удобрениями, через растениеводческую продукцию (корм животных, солома), прошедшую через животноводческие фермы и возвращаемую на поле в виде навоза.

Для характеристики баланса используется также показатель интенсивности баланса – отношение поступления элементов питания к их расходу. Интенсивность баланса выражается в процентах или коэффициентами. Величина интенсивности баланса менее 100 % характеризует дефицитный, 100 % – бездефицитный и более 100 % – положительный баланс.

Дефицитный баланс питательных элементов (превышение расхода над поступлением) предупреждает о том, что происходит истощение почв, снижение их плодородия.

Отчуждение из сферы сельскохозяйственного производства азота, фосфора и калия с товарной продукцией растениеводства и животноводства необходимо в полной мере компенсировать внесением минеральных удобрений.

В практике агрохимического обслуживания сельскохозяйственного производства, а также в научных исследованиях наиболее широко применяется расчет хозяйственного баланса.

Хозяйственный баланс питательных элементов составляется для оценки системы применения удобрений. Приведем методику его расчета, разработанную Институтом почвоведения и агрохимии. Приходные статьи баланса: поступление питательных элементов с минеральными удобрениями; с органическими удобрениями; симбиотический азот; с семенами; с атмосферными осадками; несимбиотический азот. Расходные статьи баланса элементов питания: вынос планируемыми урожаями; потери от вымывания (выщелачивания); потери от эрозии почв; газообразные потери азота.

Хозяйственный баланс элементов питания определяется как разность между суммами приходной и расходной статей и выражается в кг/га:

Приходные статьи:

• П_NPK – приход элементов питания, кг/га (пашни, сельскохозяйственных угодий, сенокосов и пастбищ);
• П_му – приход с минеральными удобрениями, кг/га;
• П_оу – приход с органическими удобрениями, кг/га (П_оу = Н · С, где Н – доза органического удобрения, т/га;
• С – содержание элемента питания, кг/т);
• П_о – приход с осадками, кг/га;
• П_с – приход с семенами, кг/га;
• П_б – биологический азот, фиксированный бобовыми культурами, кг/га;
• П_н – несимбиотический фиксированный азот, кг/га;
• *П_б и П_н – учитываются только при расчете азота;
• П_с – приход азота, фосфора и калия.

Расходные статьи:

• Р_вын – вынос элементов питания урожаем сельскохозяйственных культур, кг/га;
• Р_выщ – потери от вымывания (выщелачивания), кг/га;
• Р_эр – потери от эрозии почв, кг/га;
• Р_г – газообразные потери азота, кг/га.

По данным последнего 13-го тура агрохимического обследования почв Республики Беларусь (2013–2016 гг.) средневзвешенная величина рН_KCl пахотных почв составила 5,84, содержания гумуса 2,25 %, подвижного фосфора и калия по методу Кирсанова 188 и 196 мг/кг почвы соответственно.

По сравнению с 12-м туром агрохимического обследования (2009– 2012 гг.) средневзвешенный показатель рН_KCl снизился на 0,05 (с 5,89 до 5,84), содержание гумуса возросло на 0,02 % (с 2,23 до 2,25 %). Содержание подвижного фосфора снизилось на 3 мг/кг (с 191 до 188 мг/кг) и подвижного калия возросло на 12 мг/кг (с 206 до 218 мг/кг почвы).

Таким образом, благодаря интенсивному применению удобрений и известкованию пахотные почвы Республики Беларусь по принятой градации в среднем относятся к слабокислым, имеют повышенное содержание гумуса, подвижного фосфора и калия, что является предпосылкой при интенсивном применении удобрений для получения достаточно высоких урожаев возделываемых в республике сельскохозяйственных культур.

Количество питательных элементов, поступающих с минеральными удобрениями, определяют по дозам для культур и находят среднее значение на 1 га севооборотной площади. Поступление с органическими удобрениями находят по насыщенности севооборота органическими удобрениями.

Пример. Насыщенность органическими удобрениями в севообороте составляет 12 т/га. С 1 т навоза крупного рогатого скота на соломенной подстилке поступает в почву 5,0 кг азота (табл. 4.1), а с 12 т – 60,0 кг, фосфора – 30,0 кг (2,5 · 12), калия – 72,0 кг (6,0 · 12).

Для определения количества биологического азота используют данные о величинах фиксированного из атмосферы азота, остающегося в почве после бобовых растений. Так, в расчете на 1 ц зеленой массы в почве остается симбиотического азота, сверх усвоенного растениями: после многолетних бобовых трав (кроме люцерны) – 0,35 кг, люцерны – 0,40 кг, после многолетних бобово-злаковых смесей – 0,20 кг, после однолетних бобовых трав – 0,25 кг, однолетних бобово-злаковых травосмесей – 0,20 кг. Бобово-злаковые травы сенокосов и пастбищ на 1 ц зеленой массы оставляют в почве 0,15 кг азота. На 1 ц зерна люпин в чистом виде фиксирует 5,0 кг, кормовые бобы – 3,0 кг, горох, пелюшка, вика, соя в чистом виде – 2,5 кг, люпин в смеси с зерновыми культурами – 4,5 кг, горох, пелюшка и вика в смеси с зерновыми культурами – 2,0 кг азота.

Таблица 1. Поступление питательных элементов с органическими удобрениями, кг/т