Разложение органических остатков почв

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

Как рационально разлагать растительные остатки

Управляемое разложение растительных остатков — это необходимость.

Воспроизводство плодородия почвы в современном земледелии невозможно без рационального управления органической массой растительных остатков, которые остаются в поле после уборки урожая. В условиях экологических проблем, связанных с избыточными выбросами в атмосферу парниковых газов, важно, чтобы углерод, аккумулированный в органической массе на поверхности поля, не подлежал быстрой минерализации с выделением СО₂, а закреплялся в почве в виде органических субстратов.

К тому же систематическое выращивание растений с одинаковыми биологическими требованиями, однотипным химическим и биохимическим составом, развитием специфических болезней и вредителей несет угрозу для почвы, которая является по сути живым организмом. Возникает такое явление как усталость грунта – накопление в почве токсичных веществ, болезнетворных микроорганизмов, несбалансированности агрофизических свойств, что влечет за собой снижение продуктивности сельскохозяйственных культур. Внесение только минеральных удобрений, применение химических СЗР не устраняют, а даже ускоряют проявление усталости грунта. Большинство фитонцидов (включая токсичные, что могут подавить следующую культуру) сосредоточены в надземной части растений, поэтому для улучшения состояния почвы следует обязательно заселять полезную микрофлору, которая подавляет почвенные патогены.

Известно, что разложение органических остатков реализуется благодаря комплексу микроорганизмов, часть из которых питается лишь водорастворимыми веществами, другие разлагают крахмал, клетчатку, гемицеллюлозу и другие сложные углеводы, а определенное их количество разрушает лигнин. То есть, деструкция органической массы – это многоступенчатый процесс, прохождение которого имеет свои закономерности: продукты, образованные в процессе промежуточного разложения, являются субстратом для жизнедеятельности следующих.

Почему заделать стерню недостаточно?

Неконтролируемое заделывание побочной продукции растениеводства (соломы, стеблей кукурузы, подсолнечника, сои), кроме положительного эффекта, может создать ряд проблем аграрию. В первую очередь, это касается соломы, которая имеет самый длинный период разложения в почве – от полугода до полутора лет. Увеличение периода разложения органической массы:

усиливает дефицит азота в почве (микроорганизмы для деструкции используют почвенные запасы),
замедляется интенсивность разложения и доступность растениям элементов питания, аккумулированных в органической массе
слабо разложенная органическая масса увеличивает накопление в почве токсических веществ, болезнетворных микроорганизмов и т. д.

Как подходить к разложению рационально?

Решить вышеуказанные проблемы можно путем нанесения микроорганизмов непосредственно на органику, то есть обработка ее деструкторами. Деструктор должен быть обязательным элементом технологии!

Одним из самых распространенных на рынке стран СНГ — деструктор «Экостерн»®, в состав которого входят грибы и бактерии, которые ускоряют разложение пожнивных остатков, антагонисты патогенных микроорганизмов, живые клетки бактерий Bacillus subtilis, Azotobacter, Enterobacter, Enterococcus и грибы Trichoderma lignorum, Trichoderma viride, а общее число жизнеспособных клеток составляет 2,5×10 9 КОЕ/см 3 .

Рассмотрим ключевые моменты эффективности «Экостерна»®.

1 — Биоконтроль грунтовых патогенов

В «Экостерне»® роль регулятора фитопатогенов принадлежит бактерии Bacillus subtilis и грибам рода Trichoderma. Благодаря способности продуцировать ряд метаболитов (в частности белки, полипептиды, циклические липопептиды, непептидные соединения) эти микроорганизмы – мощный инструмент контроля около 20 типов фитопатогенов. Их воздействие на фитопатогены варьируется от фунгистатического (угнетение развития) до фунгицидного (уничтожения). Доказано, что штаммы Bacillus subtilis и Trichoderma активно противодействуют возбудителям плесневых болезней, корневых гнилей и других патогенов, которые сосредоточены в почве.

При нанесении «Экостерна»® на поверхность растительных остатков это воздействие и контроль происходит комплексно, то есть на уровне органической массы, куда заселяется агрономически ценная микрофлора, а после заделывания этой органики происходит подавление патогенных видов микроорганизмов, сосредоточенных в почве.

Необходимость обработки «Экостерном»® растительных остатков связана с тем, что горизонтальное и вертикальное перемещение микроорганизмов идет довольно медленно из-за адсорбции их почвенными частицами и ячеистым строением почвы. Кроме того, в результате обработки почвы могут возникать различные условия – как аэробные, так и анаэробные, способные влиять на активность той или иной группы микробов, и, соответственно, на интенсивность деструкции органики. Поэтому внесение «Экостерна»® способствует активному заселению органической массы микробиотой и быстрому включению ее в деструкционные процессы.

2 — Улучшение питания и увеличение доступности питательных элементов

Французский микробиолог ХІХ в. Луи Пастер говорил: «В природе бесконечно большая роль бесконечно малых». Благодаря исследованиям последних десятилетий эта мысль полностью подтвердилась! Это касается в том числе и участия микроорганизмов в рециркуляции элементов питания. Установлено, что микробы, принимая активное участие в природных процессах, привлекают к большому геологическому круговороту около 70 элементов периодической системы Менделеева. Микробы, как участники малого биологического круговорота обеспечивают движение элементов питания за счет трансформации органической массы. Так, согласно многочисленным литературным данным, в биомассе 6-8 т соломы сконцентрировано 25-35 кг азота, 14-20 кг/га фосфора, 50-85 кг калия, 15-17 кг кальция. Кроме макроэлементов, в этом количестве растительных остатков есть определенное количество и микроэлементов: бора в среднем 30 г/га, меди 20 г, марганца 180 г, молибдена на 2-3 г, цинка 200-300 г, которые по возможности должны быстро вернуться в почву. Ускорить этот процесс помогает внесение «Экостерна»®.

6-летними исследованиями компании БТУ-ЦЕНТР, как собственными, так и в партнерстве с другими научными и производственными предприятиями, установлено, что в зависимости от уровня увлажненности почвы степень деструкции соломы уже в течение первого месяца после его внесения составляет от 21 до 48 %.

Лабораторные опыты свидетельствуют, что обработка стеблей кукурузы «Экостерном»® увеличивала количество углерода лабильных органических соединений на 9,7 %, также имелась положительная тенденция к увеличению содержания гумуса. Установлено, что содержание подвижного фосфора в почве, где заделывали солому, обработанную биодеструктором, выросло на 33 %, а обменного калия – на 3 % к контролю без биопрепарата.

Для эффективной деструкции важным показателем является соотношением между углеродом и азотом (С:N), оптимум которого составляет 20-30:1, тогда как например у соломы зерновых оно возрастает до 70-90:1. Из-за такого широкого соотношения в процессе разложения происходит снижение нитратов и аммония в почве, то есть микробиологические процессы смещаются в сторону иммобилизации азота. Именно поэтому, при применении «Экостерна»® на почвах со значительным дефицитом азота следует вносить в 5-15 кг д.в. азотных удобрений на 1 т соломы. Вместе с тем, Azotobacter, который входит в состав деструктора, постепенно будет накапливать азот, тем самым сужая его соотношение с углеродом. После завершения деструкции органической массы происходит отмирание микробного пула, что сопровождается дополнительным высвобождением азота.

3 — Увеличение урожайности сельскохозяйственных культур

Одним из основных критериев эффективности агрономического мероприятия является его влияние на урожайность. Выражение аграриев «эффективность препарата покажет бункер» требовало систематического проведения не только экспериментальных, но и производственных опытов по изучению эффективности «Экостерна»® в различных почвенно-климатических зонах России и Украины. Данные, полученные уже в течение более 10 лет и подтверждены соответствующими актами внедрения, свидетельствуют, что применение 1,0-2,0 л/га этого биопрепарата обеспечило достоверный прирост урожая озимой пшеницы в среднем 0,35 т/га, подсолнечника около 0,15 т/га, сои 0,2-0,3 т/га, кукурузы – 0,28-0,45 т/га. Такой или даже выше эффект гарантированно можно получить при соблюдении условий внесения (это важно!), в частности проведения обработки в утренние или вечерние часы или пасмурную погоду при норме вылива воды от 150 л/га и больше.

Таким образом, деструктор должен быть обязательным элементом технологии. Биодеструктор Экостерн ® – это средство рационального, управляемого разложения растительных остатков. Он обеспечивает биоконтроль почвенных патогенов, снижение уровня токсичности почвы, увеличение доступности питательных элементов, улучшение структуры почвы и увеличение урожайности с.-х. культур.

Доктор с.-х. наук, агрохимик Корсун С.Г.,

Кандидат с.-х. наук, агроном-исследователь

компании «БТУ-Центр» Гаврилов С.А.

www.btu-center.com Instagram: organiklain Facebook: organikline

Источник