Лекция 2. Воспроизводство плодородия почв в земледелии
Лекция 2. Воспроизводство плодородия почв в земледелии.
1. Понятие о плодородии почв и его воспроизводство.
2. Агрофизические показатели плодородия почв и их воспроизводство.
3. Биологические показатели плодородия почв и их воспроизводство.
Учение о плодородии почв и его воспроизводство – одна из теоретических основ научного земледелия.
С плодородием почвы связывали пригодность почвы для возделывания культурных растений и удовлетворение их потребностей в земных факторах жизни. Удовлетворение потребностей растений в воде, воздухе и питательных веществах осуществляется только через почву, а степень обеспечения их обусловлена почвенными свойствами и режимами. Таким образом, плодородие является объективным интегральным показателем, отражающим состояние почвенных процессов.
В современном земледелии под плодородием почвы следует понимать способность почвы служить культурным растениям средой обитания, источником и посредником в обеспечении земными факторами жизни и выполнять экологическую функцию. Плодородная почва должна соответствовать следующим требованиям:
обеспечивать оптимальные условия водно-воздушного и теплового режимов;
содержать достаточное количество подвижных форм питательных веществ;
трансформировать питательные вещества почвенных запасов и вносимых извне и накапливать их;
обладать сильновыраженным фитосанитарным эффектом, проявляющимся в устранении фитотоксичных веществ и микроорганизмов, фитопатогенов и установлении равновесия между полезной и вредной энтомофауной в межвегетационные периоды, быть относительно чистой от семян и вегетативных органов размножения сорных растений;
быть устойчивой к различным факторам разрушения и пригодной для применения современных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Уровень плодородия одних и тех же типов и разновидностей почвы во многом зависит от их пространственного расположения в пределах ландшафта, характеризующегося рельефом, крутизной и экспозицией склонов, гидрологическим режимом, химическим составом почвообразующих пород и др.
Наряду с понятием «плодородие почвы» в агрономии широко используют термин «окультуривание почвы». Под окультуриванием понимают улучшение природных свойств почвы посредством применения агромелиоративных мероприятий.
При земледельческом использовании почвы ее плодородие снижается, поскольку для производства растениеводческой
продукции расходуются органическое вещество и элементы минерального питания, ухудшаются условия водно-воздушного режима, фитосанитарное состояние, микробиологическая деятельность и т. д. Поэтому возникает необходимость управления плодородием почвы в интенсивном земледелии.
Воспроизводство плодородия почвы бывает простое и расширенное. Возвращение почвенного плодородия к исходному первоначальному состоянию означает простое воспроизводство. Создание почвенного плодородия выше исходного уровня – это расширенное воспроизводство плодородия. Простое воспроизводство применимо для почв с оптимальным уровнем плодородия. Расширенное воспроизводство реализуется для почв с низким естественным уровнем плодородия, не способным обеспечить достаточную эффективность факторов интенсификации земледелия. Расширенное воспроизводство плодородия дерново-подзолистых почв – обязательное условие расширенного воспроизводства продукции земледелия вообще.
Естественнонаучная основа теории воспроизводства плодородия почвы закон возврата – частное проявление всеобщего закона сохранения вещества и энергии.
Гранулометрический и минералогический составы. Твердая фаза почвы представляет собой смесь механических элементов трех видов: минеральных, органических и органо-минеральных. В минеральных почвах преобладают минеральные механические частицы разных форм и размера, разного химического и минералогического составов.
Относительное содержание в почве механических элементов (фракций) называется гранулометрическим составом.
Механические частицы почвы больше 1мм в диаметре именуются скелетом почвы, частицы меньше 1мм – мелкоземом. Мелкозем подразделяют на физический песок (частицы больше 0,01мм) и физическую глину (частицы меньше 0,01мм).
В зависимости от содержания физического песка и физической глины, почвы бывают песчаными, супесчаными, суглинистыми (легкие, средние, тяжелые), глинистыми (легкие, средние, тяжелые), а в зависимости от величины сопротивления, оказываемого при обработке, почвы по гранулометрическому составу условно подразделяют на легкие (песчаные и супесчаные), средние (легко и среднесуглинистые) и тяжелые (тяжелосуглинистые и глинистые).
Плотность почвы уменьшается по мере увеличения содержания физического песка в ее составе.
Наступление физической спелости почвы (способность почвы распадаться на мелкие комки, крошиться при определенной влажности) зависит от гранулометрического состава при прочих равных условиях. Почвы легкого гранулометрического состава поспевают раньше, чем тяжелого.
Структура почвы. Это важный показатель физического состояния плодородной почвы. Она определяет благоприятное строение пахотного слоя почвы, ее водные, физико-механические и технологические свойства и водно-гидрологические константы.
Частицы твердой фазы, как правило, склеиваются в комочки (агрегаты). Способность почвы распадаться на агрегаты называют структурностью, а различные по величине и форме агрегаты – структурой. По классификации , по форме различают следующие типы структуры: глыбистую, комковатую, ореховатую, зернистую, столбчатую, призматическую, плитчатую, пластинчатую, листоватую, чешуйчатую.
Черноземы, например, в естественном состоянии характеризуются отчетливо выраженной зернистой структурой, серые лесные почвы – ореховатой. Хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы приобретают комковатую структуру, а неокультуренные подзолы отличаются плитчатой и листоватой.
В земледелии принята следующая классификация структурных агрегатов по величине: глыбистая структура – комки более 10мм, макроструктура – от 0,25 до 10мм, микроструктура – менее 0,25мм.
С агрономической точки зрения особый интерес представляет мелкокомковатая и зернистая структура с размером частиц примерно 0,25-10мм. Одновременно эта структура должна быть пористой, механически упругопрочной и водопрочной. Большое значение имеет механическое разделение почвенной массы на структурные отдельности (комки), которое в природных условиях происходит под воздействием корневых систем растений, жизнедеятельности биоты почвы, под влиянием периодических промораживания и оттаивания, увлажнения и высушивания почвы, а в обрабатываемых почвах и воздействия почвообрабатывающих орудий.
Влияние растительности на образование структуры различно, что обусловлено степенью развития корневой системы. Так, многолетние травы с мощной корневой системой оказывают большее влияние на процесс структурообразования, чем однолетние культуры.
При разложении корней образуются гумусовые вещества, обладающие высокой сорбционной и биологической активностью. Кроме того, в зоне расположения корней – ризосфере – формируются специфические сообщества микроорганизмов и почвенной фауны (дождевых червей, насекомых, землероек и др.), продукты метаболизма которых воздействуют на оструктуривание почвы. При этом биологические факторы оказывают не только количественное, но и качественное влияние на почвенную структуру.
Механические факторы структурообразования особенно проявляются в процессе обработки почвы. При работе почвообрабатывающих орудий наибольшее количество макроагрегатов образуется в почве, находящейся в состоянии физической спелости (оптимальной влажности структурообразования).
Одним из показателей строения пахотного слоя может быть плотность почвы – отношение массы к объему почвы ненарушенного сложения. При оптимальной плотности почвы складываются наиболее благоприятные условия для роста растений. В естественных условиях под действием сил уплотнения и разрыхления в почве наступает равновесное состояние между твердой фазой и пористостью, называемое равновесной плотностью.
Параметры оценки структурного состояния почвы, по и , следующие: отличная структура – более 70% водопрочных макроагрегатов, хорошая – 70-55, удовлетворительная – 55-40, неудовлетворительная – 40-20, плохая – менее 20%.
Основными направлениями воспроизводства структуры почвы в земледелии являются:
1. Обогащение почвы органическим веществом как основным источником образования гумуса и энергии для микроорганизмов. Этого достигают применением органических удобрений (навоз, торф, компосты, птичий помет, солома, сидераты, сапропель), посевом многолетних трав (травосеяние), которые оставляют после себя большое количество растительных и корневых остатков. Минеральные удобрения, повышая урожайность культур, оказывают косвенное влияние на поступление в почву органического вещества за счет увеличения массы растительных и корневых остатков.
2. Пополнение почвенных запасов кальция и магния как основных элементов структурообразования с помощью проведения известкования кислых и гипсования засоленных почв.
3. Сокращение числа проходов сельскохозяйственной техники по полям, особенно тяжеловесной, путем использования ресурсосберегающих технологий выращивания растений.
4. Защита почвы от водной эрозии и дефляции с помощью регулирования стока воды и скорости ветра в приземном слое.
5. Создание наиболее благоприятных условий для окислительно-восстановительных процессов в почвах избыточного и недостаточного увлажнения путем проведения водных мелиораций – осушения и орошения.
6. Создание прочной структуры верхнего слоя почвы с помощью внесения на его поверхность искусственных, экологически безопасных структурообразователей.
Мощность пахотного слоя. Мощность обрабатываемого слоя почвы, его объем, в котором развивается корневая система растений, играют важную роль в интенсивном земледелии. В пахотном слое сосредоточены запасы основных элементов питания, воды и воздуха. Кроме того, в современном земледелии возросло значение пахотного слоя как посредника в системе почва – растение, так как верхний слой почвы воспринимает дополнительные количества питательных веществ, вносимых с органическими и минеральными удобрениями, химических мелиорантов, пестицидов, искусственных структурообразователей. Все эти вещества должны быть преобразованы в легкоусвояемые или безвредные для растений формы.
Глубокий пахотный слой обеспечивает более благоприятные водно—воздушный и тепловой режимы почвы. Осадки, поливная вода быстро поглощаются почвой, накапливаются в ней и затем потребляются растениями по мере их роста и развития. Глубокий пахотный слой почвы может обеспечивать растения влагой и воздухом как при недостатке, так и при избытке выпадающих осадков. Лучшие условия увлажнения создают благоприятный питательный режим почвы, обусловленный, в свою очередь, нормально протекающими процессами разрушения – синтеза органического вещества. Глубокий пахотный слой способствует благоприятной минерализации органического вещества при одновременной эффективности его гумификации и при благоприятном качественном состоянии.
Наиболее благоприятная мощность пахотного слоя для большинства почв составляет 27-30 см. Однако, такую глубину обрабатываемого слоя имеют не все почвы. Основной ограничивающий фактор создания мощного пахотного слоя – мощность гумусового горизонта.
Агрофизические показатели плодородия важны не сами по себе, а как основа создания оптимальных условий водно-воздушного, теплового и питательного режимов для роста и развития растений.
Кроме того, важнейшей особенностью этих показателей плодородия, за исключением гранулометрического и минералогического составов, является их динамичность в течение вегетационного периода, что затрудняет их своевременное воспроизводство.
Органическое вещество почвы образуется из отмерших остатков растений, микроорганизмов, почвенных животных и продуктов жизнедеятельности. Первичное органическое вещество, поступившее в почву, подвергается сложным превращениям, включающим процессы разложения, вторичного синтеза в форме микробной плазмы и гумификации. Сочетание названных процессов приводит к образованию сложной смеси органических веществ: 1) малоразложившихся растительных и животных остатков с сохранившейся первоначальной структурой; 2) промежуточных продуктов разложения (например, протеиды, аминокислоты, поли — и монофенолы, моносахариды и др.); 3) гумусовых веществ, образовавшихся путем микробного синтеза или остаточного происхождения; 4) растворимых органических соединений, которые минерализуются до простых минеральных соединений (Н2О, СО2, NО3 и др.) или участвуют в синтезе гумусовых веществ.
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 и , 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;
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.
Источник