гумус и плодородие почв

Гумификация - глобальный процесс, встречающийся во всех без исключения почвах. Это главная и всеобщая черта почвообразо­вания, отражение биологического круговорота веществ в свойствах почв.

Гумус - понятие не только химическое и биологическое, но и экологическое в очень широком понимании, от требования отдель­ного растения до формирования гумосферы Земли.

B процессе эволюции жизни при почвообразовании возникло сложное и целесообразное единство растений и почвенных усло­вий, а в более узком смысле - растений и гумуса, с которыми не­разрывно связаны многие свойства и явления в почвах.

При оценке экологической роли гумуса всегда подчеркивается его положительное значение в связи с образованием агрономически цен­ной структуры, которая в конечном итоге создает для растений бла­гоприятные водно-воздушные свойства.

Возможное количественно-качественное гумусовое состояние почв показано в табл. 3.1.

Таблица 3.1

показатели гумусового состояния почв (гришина, орлов)

Гумусовые вещества оптимизируют для растений многие физи­ческие характеристики почвы.

Почвенный гумус отличается типичными характеристиками гидрофильных коллоидов. Он увеличивает водоудерживающую способность почв, так как способен поглощать значительное ко­личество воды. Гумусовые вещества обладают высокой обменной поглотительной способностью. Это уникальное экологическое свой­ство почвы. Биофильные элементы одновременно и удерживаются коллоидами от вымывания за пределы почвы, и в то же время легко доступны корневым системам растений.

Высокая поглотительная способность гумусовых веществ обес­печивает почвам еще одно замечательное экологическое качество. Вместе с другими коллоидами почвы они обеспечивают почве ее буферность, т. е. способность противостоять вредному воздействию кислотных и щелочных растворов (в том числе дождей) и поддер­живать плодородие почвы на определенном уровне рН.

Известна физиологически активная и ферментативная роль гу­муса. Стимулирующий эффект на растения описан многими авто­рами. О. С. Безуглова (2001) провела опыт по выяснению влияния гумусовых веществ на рост пшеницы Харьковская-46. Растения выращивались на дистиллированной воде с раствором гумата натрия и фульвокислот из черноземов предкавказского и южно­го и темно-каштановой почвы. Использовалась концентрация в 0,0006 %. Результаты опыта показали, что фульвокислоты и гу- мат натрия, выделенные из разных почв, действуют неодинаково. Фульвокислоты из черноземов оказывают больший стимулирую­щий эффект на рост корневой системы, чем гумат натрия из этих почв. Гумат натрия из каштановой почвы, наоборот, действует с большим эффектом, нежели фульвокислоты. Отмечено также хо­рошее развитие всасывающей зоны корней - гумусовые вещества стимулируют появление и рост корневых волосков.

Стимулирующее действие гумусовые вещества оказывают толь­ко в определенных концентрациях. Л. И. Карпухин и Л. Г. Еремина (1979) в течение вегетационного периода изучали влияние на рост и развитие кукурузы различных концентраций фульвокислот при опрыскивании и внесении в питательный раствор (от 10 до 200 мг на сосуд). Установлено их возрастающее положительное действие. Однако при опрыскивании возрастающими концентрациями (от 0,006 до 0,120 %) вначале наблюдается стимулирующее действие, а затем резкое угнетение растений.

B. Л. Ковда (1973), ссылаясь на исследования Эрнандо Фернандеса, отмечает, что гумусовые кислоты влияют на рост и развитие растений в двух направлениях: хиноновые и фенольные группы образуют восстановительную систему и влияют на дыхание, аминокислотная и белковая части молекул гуминовой кислоты воз­действуют на процессы синтеза.

Стимулирующая роль гуматов широко используется в прак­тике выращивания черенков-саженцев кустарниковых культур. B присутствии гуматов они намного быстрее дают рост корней. B Ботаническом саду РГУ (ЮФУ) уже давно используется этот прием. Гумусовые удобрения имеют спрос у огородников и садоводов, обес­печивая коммерческий успех фирмам, их производящим. Однако характерна неодинаковая требовательность различных растений к гуматам (табл. 3.2).

Таблица 3.2

группы сельскохозяйственных растений на реакции на гуминовые кислоты (по христевой)

У растений, в том числе культурных, нет единообразия требова­ний к содержанию гумуса в почвах.

Таблица 3.3

группировка сельскохозяйственных растений по отношению к содержанию органического вещества в почвах

Окончание табл.

Неоднозначность тезиса о гумусе как детерминаторе плодоро­дия. Для обширных площадей степной зоны России и сопредельных государств давно установлена общая зависимость возрастания пло­дородия почв с увеличением мощности гумусовой толщи и запасов

гумуса. Однако для условий Северного Кавказа - региона, обла­дающего наивысшим плодородием черноземов, начиная с мощно­сти гумусовых горизонтов 150 см и запасов гумуса около 600 т/га, дальнейшее возрастание показателей не приводит к увеличению урожайности (Вальков, 1982). В Краснодарском крае встречаются предгорные черноземы с запасами гумуса около 1000 т/га, но ре­кордов по сбору зерна здесь никогда не наблюдалось. Зато хорош картофель! Но вся причина в прохладном лете.

При рассмотрении органического вещества как критерия уро­жайности действует закон экологической кривой, т. е. в нашем случае увеличение количества гумуса в почвах ведет к повышению урожайности до некоторого предела, стабилизируя ее на какой-то определенной величине, неодинаковой для разных почв.

Гумусовое состояние почв не следует оценивать прямолиней­но, однозначно и категорично: чем больше в почвах органическо­го вещества, тем выше уровень их эффективного плодородия. Вот несколько примеров. На орошаемых безгумусных субтропических почвах урожайность зерновых культур может быть намного выше, чем на черноземах. На практически безгумусных желтоземах в 1999 г. в Сочинском районе мы наблюдали посевы овса выше 1,5 м. Растение арбуза совсем безразлично к гумусовому состоянию почв. Прекрасно плодоносят арбузы на черноземах и на полупустынных почвах Лстраханской области, а еще лучше на безгумусных песках в черноземной зоне. Вредно сказывается большое количество гумуса на урожайности гречихи. В свое время С. Л. Захаров проводил опыт выращивания гречихи на так называемом «развернутом разрезе»: посев проводился на верхнем плодородном и нижних малогумусных горизонтах почвы. Различие было минимальным! Гречиха индиф­ферентна к количеству гумуса в почве. Табак не выращивают на богатых черноземах: качество его резко снижается. Он возделыва­ется на слабогумусированных почвах. Для винограда в условиях Северного Кавказа оптимальны запасы гумуса в почвах от 100 до 325 т/га (Вальков, Фиськов, 1982). Выше и ниже этих пределов уро­жайность и качество продукции снижается. На богатейших черно­земах Краснодарского края промышленные плантации винограда ограничены из-за низкого качества получаемого сырья.

Динамика и стабилизация гумусового состояния в почвах. Географическая парадигма развития почв состоит в следующем: в процессе генезиса каждая почва и все ее свойства стремятся к ус­тойчивому равновесию с окружающей средой. При неизменности факторов почвообразования вся система находится в стабильном со­стоянии, поддерживаемом обменом веществ и энергии между почвой и окружающей средой. Изменения же в окружающей среде неизбеж­но вызывают перестройку всей почвенной системы. В климаксных целинных почвах стабильно равновесие: поступление органических остатков - гумификация - минерализация гумуса. Это устоявшее­ся веками равновесие сохранялось до распашки черноземов. Резкое нарушение равновесия связано с сокращением притока органиче­ских веществ с пожнивными и корневыми остатками культурной 72

растительности. Это неизбежно вызывает процессы дегумификации. В силу закона не прямолинейности, а парабололинейности условий почвообразования и свойств почв, в начальные периоды антропо- генезного развития почвообразовательного процесса наблюдается резкое снижение запасов гумуса в черноземах. Затем темпы дегу­мификации ослабевают до установления климаксного равновесия: поступление почвенных и корневых остатков в почву - гумифика­ция - дегумификация. Чем выше урожайность сельскохозяйствен­ных растений, чем больше органического вещества (в том числе и соломы, оставленной на черноземных почвах), тем скорее наступает устойчивое равновесие: гумификация - дегумификация. Внесение органических удобрений и посев трав ускоряет этот процесс.

К сожалению, оптимальные дозы навоза должны быть не ме­нее 10 т/га в год, что не выполнимо при современном уровне жи­вотноводства и механизации сельского хозяйства. Урожайность же пшеницы в богарных условиях, приближающаяся по количеству оставляемого в почве органического вещества к целинной степи, должна составлять не менее 60 ц/га. Для такой урожайности не­обходимо среднегодовое количество атмосферных осадков около 600 мм. Пары не решают проблему, так как дегумификация на паровых полях происходит особенно интенсивно. Для черноземов остается актуальным тезис: борьба за влагу - борьба за урожай, и как следствие этого - противодействие явлениям дегумификации.

В разных почвах степной зоны темпы дегумификации неоди­наковы. Давно известен факт: более богатые в прошлом черноземы теряют гумус намного больше, чем малогумусные подтипы. Это достоверно подтверждено и исследованиями за последние деся­тилетия. По мере снижения содержания в почвах органического вещества темпы дегумификации снижаются. Отсюда неизбежно следует вывод, что в земледелии обязательно наступит период ста­билизации гумусового состояния черноземов в соответствии с отно­сительной стабилизацией гумусового состояния. Не стоит драмати­зировать дегумификацию как катастрофический процесс. Важнее другое: происходит ли снижение урожайности растений при оди­наковых уровнях экономических затрат. Так вот, ретроспективный анализ урожайности зерновых культур и производства зерна на Северном Кавказе показывает: несмотря на явные факты дегуми­фикации черноземов исторически, рост урожайности неизбежен.

К сожалению, среди прогнозов ухудшения состояния черноземов часто встречаются просто нелепые. Например, в работе Ю. Ф. Янчков- ского (1999) говорится, что через 100 лет в пахотном слое черноземов останется около 1 % гумуса, объемная масса увеличится до 1,59­1,85 г/см³, содержание поглощенного кальция уменьшится до 40,3 %, дыхательная способность снизится до нуля. Ошибочность расчета заключается в принятии прямолинейного характера снижения со­держания гумуса, на котором базируются все расчеты. Однако уже давно установлено (Орлов, 1990), что дегумификация не носит пря­молинейный характер и максимальное снижение содержания гумуса отмечается в первые годы после распашки, когда целинные почвы теряют детрит, не полностью разложившиеся органические остатки. Далее процесс дегумификации замедляется и стабилизируется на ка­чественно другом уровне. Ошибочность суждений о темпах дегуми­фикации связано с неправильной интерпретацией исходных данных.

Оценка плодородия почв по гумусовому состоянию и климати­ческим условиям. Слабая роль гумуса в формировании урожая на­блюдается на орошаемых почвах, где урожай практически не зави­сит от содержания гумуса. На полупустынных почвах Калмыкии с крайне низким содержанием гумуса при орошении получают очень высокие урожаи пшеницы и риса. В то же врема в Пензенской об­ласти на черноземах с содержанием гумуса около 8 % и количестве осадков большем, чем в Ростовской области, средняя урожайность не превышает 12-15 ц/га.

По климатическим условиям черноземная зона считается тер­риторией неустойчивого увлажнения. Нигде нет районов, которые можно было бы классифицировать как умеренно влажные. Здесь плодородие земель зависит от осадков выпадающих в данном году. Еще дореволюционная Россия показывала примеры такой безыс­ходной зависимости. Это - катастрофическая засуха начала 90-х годов XIX и 20-х годов XX столетия. А в 1909 г. Россия собрала исключительно богатый урожай зерновых и вышла по производ­ству хлеба в том году на первое место в мире. Треть урожая была продана на экспорт.

Долгое время естествоиспытатели считали, что гумусовое со­стояние чернозема интегрально определяет плодородие почвы. Но отчего зависит гумумсовое состояние? Прежде всего зависит от ин­тенсивности биологического круговорота, определяемого притоком вещества и энергии растительных остатков в определенных геогра­фических условиях. Установлена зависимость интенсивности гуми­фикации от периода биологической активности.

Для черноземных автоморфных почв, не осложненных негатив­ными для сельскохозяйственных растений родовыми признаками (солонцеватость, засоленность, уплотненность, слитость, эродиро- ванность и др.), а также при однородном тяжелосуглинистом и легкосуглинистом гранулометрическом составе, плодородие почв и производительная сила агроценозов определяются комплексом фи­зико-географических условий, и в первую очередь - количеством выпадающих осадков.

В табл. 3.4 приведена сравнительная балльная оценка почв Ростовской области по гумусовому состоянию и количеству выпа­дающих осадков. Бонитировочные баллы по гумусу приведены по материалам ЮжНИИгипрозем (Лобанов, Чешев и др., 1997). Нами рассчитаны баллы оценки пашни по количеству выпадающих осадков. За 100 баллов взято среднегодовое количество осадков, равное 600 мм.

Таблица 3.4

оценка пашни для зерновых культур по природным показателям почв и количеству выпадающих осадков (Ростовская область)

Примечание. Название почв: Чо т^ш - черноземы обыкновенные очень теплые, мощные; Чо^ш - чер­ноземы обыкновенные теплые и умеренно теплые, мощные; Чю^п - черноземы южные среднемощные; К т^п - темно-каштановые среднемощные; К ^п - каштановые среднемощные. По гранулометрическому составу все подтипы почв тяжелосуглинистые более чем на 90 %.

Примерно такое количество осадков соответствует распростра­нению на Северном Кавказе черноземов с запасами 600 т/га (чер­ноземы типичные и частично выщелоченные южно-европейской фации). При расчете баллов по гумусу за 100 баллов принято со­держание гумуса в горизонте А - 7 %, мощность гумусового слоя (А+АВ) - 135 см и запасы гумуса в гумусовом слое - 600 т/га.

Вызывает некоторое сомнение правомерность выбранных кри­териев для балльной оценки земельных угодий степных автоморф- ных почв Ростовской области по гумусовому состоянию. Например, зачем брать в качестве фактора плодородия мощность А+АВ. Этот показатель уже вошел количественно в критерий «запасы гуму­са в т/га». Получается, дважды один и тот же показатель фигу­рирует при установлении количественной балльной бонитировки. Сомнительна правомерность «содержания гумуса в процентах в па­хотном горизонте». Еще Ф. Я. Гаврилюк (1984) и в дальнейшем его последователи исключили его из бонитировочных критериев для степных почв. Слишком мало в нем информативности для малогу- мусных почв Южных степей. Да и участие слоя 0-20 см в опреде­лении плодородия эфемерно из-за быстрой пересыхаемости этого горизонта. Тем более, что за 100 баллов взято 7 % гумуса - это утопично. Где же такие почвы встретишь на Дону? Введение на равных с мощностью А+АВ и запасами гумуса в определении бал-

лов бонитета показателя содержания гумуса 7 % резко снижает балльную оценку пашни.

При рассмотрении табл. 3.4 наблюдаются некоторые необъяс­нимые недоразумения и географические парадоксы. Например, в Белокалитвенском районе преобладают южные черноземы - балль­ная оценка по гумусовому состоянию 48. В Волгодонском районе - темно-каштановые почвы с балльной оценкой 62. И это при прак­тически одном и том же количестве осадков (419 и 409). Далее, в Советском районе выпадает 388 мм осадков и формируются южные черноземы. В Цимлянском районе - тоже 388 мм, а распространены темно-каштановые почвы. В Красносулинском районе осадков 418. Почвы - черноземы обыкновенные мощные. В Кашарском осадков примерно столько же (413 мм), а почвы черноземы южные среднемощ­ные. Более парадоксально: в Матвеево-Курганском осадков 422 мм, почвы черноземы обыкновенные мощные. В Миллеровском - при большем количестве осадков (451 мм) формируются черноземы юж­ные среднемощные.

Анализ бонитировочной балльной оценки сельскохозяйственных угодий и климатических условий увлажнения позволяет сделать сле­дующее заключение. В одних случаях балльная оценка земель по климатическим условиям почти совпадает с оценкой по гумусовому состоянию (Волгодонский, Веселовский, Егорлыкский, Зерноградский, Кагальницкий, Кашарский, Красносулинский, Мартыновский, Моро- зовский, Мясниковский, Неклиновский, Октябрьский, Орловский, Песчанокопский, Семикаракорский, Сальский, Советский районы), а в других наблюдаются различия более чем на 10 баллов (Азовский, Аксайский, Белокалитвенский, Боковский, Верхнедонской, Дубовский, Зимовниковский, Кашарский, Миллеровский, Милютинский, Облив- ский, Радионово-Несветаевский, Тарасовский, Тацинский, Чертковский районы). Совпадения балльной оценки земель по гумусовому состоянию и климатическим условиям увлажнения закономерно при одном непре­менном условии: исключительная однородность почвенного покрова.

Наоборот, резкое отклонение от балльной оценки угодий по климатическим условиям в сторону снижения их производитель­ности характерно для районов со сложной структурой почвенного покрова в пределах подтипа чернозема (эродированность, неодно­родность рельефа, материнских пород и т. д.).

Климатические условия и в первую очередь выпадающие осад­ки в зоне степей определяют интенсивность биологического круго­ворота, а следовательно, запасы органического вещества в чернозе­мах и их количественный балльный бонитет, уровень плодородия.

В положительном решении сохранения экологического равнове­сия в системе «почва-растение» существенное значение имеют био­логические особенности культур, корневые и пожнивные остатки которых на пашне являются практически единственными естест­венными источниками восполнения гумуса и элементов минераль­ного питания. Определено, что более всего остается в почве остатков люцерны, озимой пшеницы по чистому пару, подсолнечника, менее других - гороха и ярового ячменя. При повышении урожайности культур, в частности от внесения удобрений, масса пожнивных и корневых остатков также увеличивается, но в меньшей степени.

Из сельскохозяйственных растений наиболее эффективно на гу­мусообразование влияют многолетние травы. В почвах под травами среднегодовой прирост гумуса составляет 1,5-2,0 т/га. Однако для кардинального решения гумусовой проблемы необходим комплекс­ный подход к биологическим объектам - почвенным производным и абиотической среде, к профильно-генетической и сравнительно-гео­графической оценке почвы на учете пространственной и временной вариабельности ее свойств. Основой сохранения почвенного плодоро­дия и охраны окружающей среды является рациональное и экологи­чески безопасное применение удобрений, комплекса противоэрози­онных мероприятий, оптимальное сочетание сельскохозяйственных культур с различными биологическими свойствами в севооборотах.

Полная утилизация и включение в биологический круговорот всех растительных остатков - первое условие. Нельзя допускать бесполезного и вредного сжигания жнивья и соломы. Горение - са­мый быстрый и бесполезный способ высвобождения биологической энергии. Сгорает не только стерня, но и гумус поверхностных сло­ев, снижается биологическая активность почвы. Источником об­разования гумуса, безусловно, являются органические удобрения, коэффициент гумуфикации которых, по данным К. И. Довбан (1990), составляет: подстилочный навоз - 0,20, солома - 0,68, ком­пост - 0,07, зеленое удобрение - 0,05.

Таким образом, подводя итог анализу роли гумуса в определе­нии плодородия почв, подчеркнем следующее:

1. Гумус и другие органические вещества почвенной массы после минерализации представляют первостепенный источник поступления в почвы доступных растениям элементов-био- филов в концентрациях, близких к экологическим потребно­стям организмов. При минерализации сложные органические

соединения при участии различных групп микроорганизмов

превращаются в простые химические вещества - воду, уг-

лекислый газ, а также анионы и катионы различных солей. Продукты минерализации попадают в почвенные растворы и в значительной степени становятся объектом питания растений, т. е. вновь включаются в биологический кругово­рот. Минерализация гумусовых веществ обеспечивает регу­лярность и стабильность минерального азотного и фосфор­ного питания живых организмов почвы.

2. Гумусовые вещества почв следует рассматривать как кон­сервант солнечной энергии, которая была накоплена благо­даря процессам фотосинтеза зелеными растениями в бес­численном множестве неспецифических органических соеди­нений, а затем трансформирована в вещества почвенного гумуса. Постепенное ее высвобождение осуществляет энер­гетическое обеспечение многих почвенных процессов, вклю­чая плодородие почв. Следовательно, почвенный гумус имеет

конкретную калорийную энергетическую значимость.

3. Гумусовые вещества обладают физиологической активно­стью, стимулируя рост и развитие корневых систем расте­ний и микроорганизмов.

4. Гумус оптимизирует физическое состояние почв. При оценке

экологической роли гумуса всегда подчеркивается его положи­тельное значение в связи с образованием агрономически цен­ной структуры, которая в конечном счете создает для рас­тений благоприятные водно-воздушные свойства. Главную структурообразующую роль выполняют гуматы кальция и железа. Это очень водоустойчивые структурообразователи с высокими клеящими свойствами. Они обеспечивают форми­рование в почвах зернистой и пористой структуры, устойчи­вой к разрушающему действию воды.

5. Влияние гумусового содержания на плодородие почв неоднознач­но. Не для всех растений соблюдается закономерность: боль­шее содержание гумуса отвечает высокому уровню плодородия. Некоторые культуры безразличны к гумусовому содержанию почвы. Это картофель, гречиха, арбуз. Они прекрасно произра­стают как на многогумусных почвах, так и на низкогумусных. А для виноградной лозы и табака на почвах с высоким содержа­нием органического вещества резко снижается качество урожая. Виноградники на почвах богатых гумусом дают продукцию с высокой кислотностью и низкой сахаристостью, а табак - не­удовлетворительно ароматизирован. Богатые почвы обычно считаются неудовлетворительными для этих растений.

3.2.