Режим органического вещества почв 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
Регулирование режима органического вещества почв
В процессе интенсификации земледелия усиливаются экологические аспекты в оценке роли органического вещества почв, их гумусового состояния.
В современном земледелии органическое вещество определяет экологические пределы интенсификации, выступает в качестве разрешительного фактора химизации с точки зрения буферности почв и поглотительных способностей по отношению к удобрениям, преодоления нагрузки пестицидами и другими химическими веществами. Обеспеченность почв органическим веществом определяет возможности минимализации обработки почвы и сокращения энергетических затрат, способствует повышению устойчивости земледелия при неблагоприятных погодных условиях.
В зависимости от использования почв потери гумуса возрастают в следующем порядке: многолетние травы – зерновые – пропашные – пар, при этом в паровых полях они достигают 1,5 – 2 т/га в год и часто сопровождаются накоплением нитратов в почвогрунтах до глубины 2 – 5 м и в грунтовых водах, что осложняет экологическую обстановку. Особенно большие потери гумуса отмечаются в солонцовых почвах, вовлечённых в активный сельскохозяйственный оборот без мелиорации в ходе массового освоения новых земель. Обрабатываемые ежегодно, они дают низкие урожаи при избыточной минерализации гумуса.
Значительные физические потери гумуса по сравнению с биологическими в условиях проявления эрозии и дефляции. На ландшафтах, умеренно эрозионных при уклонах 2 — 3◦, потери гумуса в пахотном слое выщелоченных чернозёмов от водной эрозии составляли от 18 до 41% за 50 – 130 лет [22], что в 3 – 6 раз больше, чем на равнинах. Южные и обыкновенные чернозёмы Казахстана за 15 лет после подъёма целины до освоения почвозащитной системы земледелия потеряли в зависимости от гранулометрического состава от 11 до 36% гумуса в пахотном слое, что значительно превышает биологические потери.
Освоение почвозащитной системы земледелия в степных районах за последние 30 лет способствовали сокращению потерь гумуса вследствие дефляции почв. В то же время ежегодные потери гумуса от эрозии почв продолжаются и мало изменились.
Чтобы сократить потери гумуса, следует в качестве одного из важнейших мероприятий обеспечить возврат в почву растительных остатков и соломы, запретив их сжигание.
Решая задачи оптимизации гумусового состояния почв и режимов органического вещества, следует учитывать, что регулирование осуществляется всеми звеньями систем земледелия. Системы земледелия должны быть построены так, чтобы воспроизводство гумуса в почвах не требовало специальных затрат, а являлось следствием мероприятий, направленных на повышение продуктивности агроценозов и защиту почв от деградации.
Регулирование биогенности почв
Решение данной задачи связано с регулированием режима органического вещества почвы.
Численность и активность различных групп почвенных организмов (бактерий, грибов, водорослей, простейших, насекомых, позвоночных) по разному изменяются в зависимости от угодья, культуры, интенсивности и способов механической обработки, применения органических и минеральных удобрений, мелиорантов, пестицидов, загрязнения почвы тяжёлыми металлами и другими токсикантами.
Проявление биологической активности почв в первую очередь связано с микроорганизмами благодаря их высокой численности и активности. Количество микроорганизмов увеличивается во всех почвах сразу после распашки. Например, численность бактерий в выщелоченных чернозёмах увеличилось с 3 млн в 1 г почвы на целине до 5 млн после их освоения.
Интенсивность биологических процессов в почве зависит помимо содержания гумуса от качественного его состояния. В степной зоне, например. Увеличивается численность бактерий от чернозёмов южных к солонцеватым чернозёмам и солонцам. После распашки эта закономерность усиливается. Наиболее высокая интенсивность минерализации наблюдается в солонцах в связи с повышенной доступностью для микроорганизмов их органического вещества . Этим процессам способствует карбонатность и щёлочность среды.
Влияние различных культур, севооборотов, системы обработки ы на почвенную микрофлору и биологическую активность почв подтверждалось различными исследованиями. Информация, накопленная для большинства регионов по этому вопросу, позволяет использовать эти приёмы для регулирования микробиологических процессов.
Значительное влияние на эти процессы оказывают минеральные удобрения. Обогащая почву элементами питания и стимулируя развитие растений, они способствуют повышению биологической активности почвы, увеличивают численность и активизируют деятельность почвенных микроорганизмов. Этим и объясняется усиление минерализации органического вещества.
Серьёзной агрономической и экологической проблемой является регулирование процессов нитрификации в почвах. Автотрофная — осуществляется специфическими нитрифицирующими бактериями при хорошей аэрации почвы, оптимальной для растений влажности, нейтральной реакции среды. В результате этого процесса образуются нитраты и нитриты с возможным промежуточным образованием газообразных соединений азота.
В последнее время установлено, что процесс нитрификации могут осуществлять гетеротрофные почвенные микроорганизмы (бактерии, грибы). Это происходит при повышенном содержании органического вещества, слабокислой реакции и дефиците кислорода в почве.
Однако опасным последствием гетеротрофной нитрификации может быть синтез промежуточных соединений – гидроксиламина, нитросоединений, которые могут даже в небольших количествах давать токсичные канцерогены, опасные для человека[ 39].
Азотные удобрения оказывают двоякое влияние на процессы фиксации атмосферного азота в почвах. В небольших дозах ( до 60 – 70 кг на гектар) они способствуют повышению активности азотфиксации, а в высоких дозах снижают как симбиотическую, так и несимбиотическую азотфиксацию.
Особой проблемой является взаимодействие почвенной микрофлоры с пестицидами. Она имеет два аспекта: влияние пестицидов на биоту и деградация пестицидов под влиянием почвенной биоты.
Опасные нарушения равновесия микробных ценозов возникает из-за высоких концентраций пестицидов вследствие нарушения технологий. Из всех групп пестицидов наиболее легко разлагаются гербициды, с меньшей скоростью разлагаются фунгициды [42].
Оптимизация севооборотов, минимальная обработка почвы, оставление растительных остатков, увлажнение позволяет существенно увеличить численность и активность почвенных организмов.
Источник