органического вещества почв

Превращения и миграция органического вещества в почве являются важной, неотъемлемой частью общего биогеохимического круговорота углерода в биосфере На рис. 14 изображен этот круговорот и место в нем почвенного звена. Однако упрощенная схема не может отразить всей сложности именно данного звена круго­ворота.

Современная наука располагает весьма обширными сведениями о составе, строении и других статических свойствах компонентов органического вещества почв, однако этого нельзя сказать об изученности различных процессов, лежащих в основе трансформации, мигра­ции, взаимодействий этих веществ. До сих пор суще­ствуют весьма разноречивые взгляды на природу и сущность процесса гумификации. Ощущается явный недостаток сведений о процессах взаимодействия мине­ральных соединений почвы, удобрений, токсикантов с органическими компонентами почвы и т. д. Мы не мо­жем подробно останавливаться на причинах сложив­шейся ситуации. Укажем лишь на важнейшую, кото­рая, по-видимому, состоит в том, что до сих пор пред­ставление о процессах в почвах составлялось не путем изучения собственно процессов, а на основании статических данных о состоянии органического вещества на начальных и конечных стадиях трансфор­мации и взаимодействия веществ. Такой подход, есте­ственно, допускает весьма свободную интерпретацию полученных данных. Поэтому многие сложившиеся взгляды о трансформации и взаимодействиях органи­ческих веществ в почвах носят гипотетический харак­тер.

Принято считать, что растительные остатки, попа­дая в почву, подвергаются различным биохимическим и физико-химическим превращениям, в результате ко­торых они в конце концов минерализуются до конеч­ных продуктов распада — С0₂ и Н₂0. Однако в дейст­вительности разложение органических веществ может протекать двумя различными путями: 1) быстрое раз­ложение до конечных окисленных продуктов без ста­дии гумификации; 2) разложение через стадию гуми

Рис. 13. Схема, иллюстрирующая соотношение (баланс) структурных единиц гумусовых веществ

П — пентозы, МП — метилпентозы, Г — гексозы, АС — аминосахара, АК — аминокислоты, ВПК — бензолполикарбоновые кислоты, ФОК— феноксикислоты, ФК — вещества типа фульвокислот: 1 — неидентифицированная часть, 8 — ядерные фрагменты, 3 — периферические фрагменты

'Р и с. 14. Круговорот углерода в наземной экосистеме (Б. Болин, Био­сфера, М.: Мир, 1972)

фикации. В первом случае все органические вещества проходят фазу ресинтеза ¹⁶, связанную с формировани­ем промежуточных органических продуктов, входящих в тела микроорганизмов. Во втором случае вопрос об обязательном полном «предгумификационном» усвое­нии органических веществ микроорганизмами является дискуссионным. Все больше исследователей приходит к выводу, что частичными предшественниками гумусо­вых веществ могут быть непосредственно соединения растительных остатков.

Характерной особенностью гумусовых веществ яв­ляется их высокая микробиологическая устойчивость, поэтому процесс трансформации органического веще­ства, включающий стадию гумификации, в целом тре­бует для полного завершения значительного времени, порядка сотен и даже тысяч лет. Это подтверждается данными радиоуглеродного датирования органического вещества почвы. Данный метод позволяет оценивать скорости обновления углерода гумусовых веществ в различных частях почвенного профиля с использовани­ем изотопа углерода ¹⁴ С, имеющего период полураспа­да 5600 лет, а также величину среднестатистического времени пребывания углерода в составе почвенного гумуса. Если процесс идет минуя стадию гумификации, в большинстве минеральных почв полная минерализа­ция органических остатков завершается за несколько лет.

В почвах одновременно протекают оба процесса превращения растительных остатков. Однако в зависи­мости от конкретных условий их соотношение будет неодинаковым. Общий выход гумусовых веществ при полном разложении растительных остатков количест­венно выражается через коэффициент гумификации К_г, который представляет собой долю (или процентное содержание) углерода органических остатков, включив­шегося в гумусовые вещества почвы при полном их разложении; К_г сильно варьирует в зависимости от конкретных условий (гидротермического режима, бо­танического состава и дозы органических остатков, ха­рактера их локализации и т. д.).

Учитывая методические сложности, связанные с точной оценкой величины %_г, можно указать для нее

¹⁶ Ресинтез — «вторичный» микробный синтез на основе «пер­вичного» фотосинтеза, осуществляемого преимущественно высшими растениями.

лишь ориентировочные значения. Обычно К_т составля­ет единицы процента, в отдельных случаях достигая десятков процентов.

Растительные остатки, из которых формируются гумусовые вещества почвы, представляют собой слож­ную смесь органических соединений. Поэтому естест­венно возникает вопрос о роли отдельных компонен­тов растительных остатков в гумусообразовании. Изо­топно-индикаторные исследования процесса гумифика­ции показали, что в состав гумусовых веществ включа­ется углерод практически из всех основных компонен­тов растительных остатков — углеводов, белков и про­дуктов их гидролиза, кислот жирного ряда, дубильных веществ, лигнина и т. д. Однако мнения различных ис­следователей о путях превращения веществ при гуми­фикации существенно расходятся. Так, М. М. Кононо­ва предложила схему гумификации растительных остатков (рис. 15). Сущность происходящих процессов, по Кононовой, заключается в следующем.

«1. Процесс гумификации растительных остатков со-

провождается минерализацией входящих в них компо­нентов до С0₂, Н₂0, ГЧНз и других продуктов.

2. Все компоненты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах про­дуктов распада, продуктов микробного метаболизма и продуктов распада и ресинтеза.

3. Ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является конденсация структурных единиц, которая происходит путем окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз через семихиноны до хинонов и взаимодействия последних с аминокислота­ми и пептидами.

4. Заключительное звено формирования гумусо­вых веществ — поликонденсация (полимеризация) — является химическим процессом. При гумификации органических остатков отдельные звенья процесса тесно скоординированы и могут протекать одновременно».

Таким образом, согласно изложенным представлениям, собственно процесс гумификации начинается с простых мономеров — продуктов распада биологических макромолекул или метаболитов почвенных микроорганизмов.•"

Существует иная точка зрения, родоначальником которой можно считать шведского исследователя С. А. Ваксмана, ее придерживается большая группа исследователей, в частности Л. Н. Александрова. Согласно этим представлениям, основными структурными единицами гумусовых веществ являются высокомоле­кулярные компоненты органических остатков — лигнин, белки, дубильные вещества, подвергающиеся в процессе гумификации ароматизации и карбоксилированию с окислением периферических фрагментов. Однако ни одна из приведенных концепций в полной мере не подтверждена экспериментально, поэтому их следует рассматривать как научные гипотезы.

По мнению Д. С. Орлова, оба пути могут иметь ме­сто в естественных условиях. При этом в почвах чер­ноземного типа с повышенной биологической активностью преобладает конденсационный путь с глубоким распадом исходного органического материала. В почвах типа дерново-подзолистых, с пониженной биологической активностью, глубокого распада органических остатков не происходит. Крупные фрагменты лигнина; белков, полисахаридов, пигментов путем карбоксилиро вания и деметоксилирования постепенно трансформи­руются в. гумусовые вещества. Но и в этом случае не следует полностью отрицать участия мономеров, ко­торые вступают в реакцию конденсации или обмена с гумусовыми и прогумусовыми кислотами на разных этапах процесса гумификации.

Исследования процесса гумификации, проведенные с использованием органических веществ, меченных ра­диоактивным изотопом ¹⁴С, показали, что участие от­дельных поликомпонентов растительных остатков и сам механизм и последовательность включения продуктов разложения в состав гумусовых веществ зависят от сочетания ряда факторов, среди которых важное значе­ние имеют локализация поступления органических остатков (на поверхность или в корнеобитаемый слой почвы), наличие или отсутствие водной миграции органического вещества в профиле почвы, наличие или отсутствие фонда сформированного гумуса и некоторые другие.

Таким образом, гумификация должна рассматри­ваться не абстрактно, как некий самостоятельный процесс, а в неразрывной связи с конкретными усло­виями образования и функционирования данной почвы. Так, в черноземах при поступлении органических остатков в корнеобитаемый слой и ограниченных мас­штабах водной миграции была обнаружена почти пол­ная минерализация (до конечных продуктов) простых мономерных соединений: фенолов, кислот жирного ряда, аминокислот, Сахаров и др. и преимущественное включение в состав гумуса углерода из лигнина.

В подзолистых почвах при поступлении органиче­ских остатков на поверхность почвы в сочетании с промывным типом водного режима происходит водная миграция растворимых мономеров в минеральную часть профиля и их последующее частичное включение в состав гумусовых веществ за счет конденсационных процессов.

Нерастворимые биополимеры — лигнин, клетчатка и другие, могут принять участие в формировании гуму­сового профиля только после их разложения и образования относительно простых водорастворимых про­дуктов.

Использование меченого органического материала позволило также установить, что полный цикл гумификации «в чистом виде», от исходных веществ до фор мированйя системы гумусовых соединений, осуществ­ляется на начальных стадиях формирования почвы. В большинстве современных почв, гумусовый профиль которых уже сформировался, включение продуктов раз­ложения свежих растительных остатков в состав гуму­совых веществ происходит в значительной мере по типу, названному «фрагментарным обновлением гумуса». Его суть состоит в том, что продукты разложения не формируют целиком новую гумусовую молекулу, а в результате конденсации сначала включаются в периферические фрагменты уже сформированных молекул; за­тем, после частичной минерализации, они образуют более устойчивые циклические структуры.

Таким образом, атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счет но­вых поступлений органического материала. При этом периферические фрагменты обновляются, в несколько раз быстрее, чем ядерные. Существование такого механизма показано путем прямого изучения включения ме­ченых органических веществ в состав гумусовых молекул, а затем подтверждено косвенно-, методом раздель­ного радиоуглеродного датирования ядерных и перифе­рических фрагментов почвенного гумуса. При этом пе­риферические фрагменты оказались заметно «моложе» ядерных.

Методом изотопных индикаторов было также установлено, что продукты разложения включаются прак­тически одновременно во все фракции почвенного гу­муса, различающиеся по молекулярным массам, при­чем в количествах, приблизительно пропорциональных содержанию этих фракций.

Таким образом, сформированный почвенный гумус как бы регулирует свое не только количественное, но и качественное воспроизводство, действуя как своеобразная матрица (этот способ назван матричной до­стройкой гумуса). Наличие «матричного» механизма отчасти объясняет относительную стабильность качественного состава гумуса в почвах различного типа. Эту стабильность очень трудно изменить, воздействуя череп внешние факторы.

Методом изотопных индикаторов с использованием меченных ¹⁴С гумусоподобных соединений было также показано наличие иного механизма обновления гуму­совых веществ в профиле подзолистых почв за счет обменной молекулярной сорбции целых гумусовых молекул, поступающих в составе почвенного раствора из зоны формирования гумуса (лесная подстилка) в ми­неральную часть профиля, содержащую некоторое ко­личество гумуса, способного к обменным процессам. Этот механизм назван молекулярным обменно-сорбци-онным обновлением.

Итак, при различных естественных условиях и пу­тях формирования и обновления образуется устойчи­вый комплекс специфических гумусовых веществ, от­личающихся в известных пределах общими чертами строения и свойств. По выражению Д. С. Орлова, это является результатом определенного статистического «естественного отбора» соединений, термодинамиче­ски и микробиологически устойчивых в данных кон­кретных условиях. Эта точка зрения явилась основой концепции, развитой Д. С. Орловым и названной им «кинетической теорией гумификации».

Гумусовые вещества почвы, естественно, не только образуются, они трансформируются и минерализуются до конечных продуктов. С интенсивной минерализаци­ей гумуса особенно часто приходится сталкиваться в пахотных почвах, где отмечаются заметные снижения его запасов. При распашке нарушается сложившееся природное равновесие, при котором скорости всех про­цессов включения углерода в состав гумусовых ве­ществ уравновешены скоростью «выхода» углерода из гумуса за счет минерализации. Такой сдвиг может иметь серьезные негативные последствия, поскольку гумусовые вещества играют весьма важную, а по мне­нию ряда ученых — решающую роль в плодородии почв. В связи с этим в последние годы исследователей и практиков стала серьезно волновать проблема балан­са гумуса в почвах.

Все составляющие гумусового баланса почв являют­ся отдельными звеньями биогеохимических круговоро­тов углерода в естественных и агрономических биогео­ценозах. Как и любой баланс, баланс углерода гумусо­вых веществ в почвах должен включать «статьи» при­хода и расхода.

А. Приходные статьи гумусового баланса

1. Включение продуктов разложения органических остатков в гумусовые вещества почвы (за счет ра­стительных остатков и органических удобрений).

2. Аэральный привнос почвенного материала, обо­гащенного органическим веществом.

3. Привнос почвенного материала с поливными во­дами или в результате развития водной эрозии.

Б. Расходные статьи гумусового баланса

1. Минерализация почвенного гумуса.

2. Вынос органического вещества в результате раз­вития водной эрозии.

3. Вынос органического вещества в результате раз­вития ветровой эрозии.

4. Вынос органического вещества в результате внутрипочвенной миграции.

Задача исследований баланса органического вещест­ва в почвах заключается в количественном определе­нии "перечисленных потоков органического вещества с целью оптимизации гумусового режима в условиях со­временного земледелия или лесного хозяйства путем регулирования тех потоков, которые в данных кон­кретных условиях наиболее существенно влияют "на гу­мусовый баланс и одновременно поддаются регулирова­нию.

Таким образом, задача заключается не столько в определении гумусового баланса как итога совокупного действия различных факторов, сколько в выявлении, величин главных составляющих этого баланса в кон­кретных почвенно-климатических и хозяйственных ус­ловиях.

Конечно, определение самого гумусового баланса как результата совокупного действия различных пото­ков органического вещества также представляет значи­тельный интерес, однако низкая точность его опреде­ления по составляющим, значительное варьирование составляющих в пространстве и во времени (даже в пределах одного поля) ограничивают практические возможности использования этой величины.

Итак, в настоящее время научный и практический интерес представляет количественная оценка потоков органического вещества, составляющих гумусовый ба­ланс. Остановимся на данном вопросе подробнее. Пере­числение составляющих показывает, что они имеют или биохимическую природу (Л1 и Б1), или миграци­онную (все остальные). Рассмотрим сначала биохими­ческие потоки и возможности их количественного опре­деления.

Оценке включения продуктов разложения органиче­ских остатков в гумусовые вещества должно предшест­вовать определение поступления в почву самих органи­ческих остатков. В настоящее время соответствующие приемы разработаны и реализованы для различных ценозов. Обычно проводят прямой учет поступления в полву растительных остатков на учетных площадках небольшого размера, от одного до нескольких квадрат­ных метров, затем пересчитывают на большие площа­ди, обычно на 1 га.

В табл. 4 были приведены величины растительного опада для трех естественных ценозов. Эти величины варьируют от 1 до 12 т/га-год. В пахотных почвах поступление органических остатков варьирует не менее значительно и зависит от возделываемых культур, их урожая, технологии уборки и использования пожнив­ных остатков. При этом ведущую роль в гумусовом балансе даже в пределах одной почвенно-климатиче-ской зоны или одного района будут играть различные составляющие, например эрозионные, связанные с уси­ленной минерализацией гумуса при распашке и т. д. Согласно литературным данным, значения коэффи­циентов гумификации органических остатков варьиру­ют в очень широких пределах — от 0 (полная минера­лизация органических остатков) до 50% и более. Отно­сительно точная оценка величин К_т в различных усло­виях имеет исключительно важное значение, поскольку данный трансформационный поток органического уг­лерода является единственной положительной статьей гумусового баланса почв в глобальном масштабе.

Наиболее точно величина К_т может быть оценена изотопно-индикаторным методом. Для изучения вклю­чения продуктов разложения органических остатков в гумусовые соединения и определения К_г необходимо иметь меченные по углероду органические вещества. Эксперименты могут проводиться как с радиоактивным изотопом ¹⁴С, так и со стабильным — ¹³С, однако первый предпочтительнее ввиду значительно более высокой чувствительности его определения и возможности ис­пользования более простой аппаратуры, в том числе и в полевых условиях. Получение меченого растительно­го материала осуществляется фотосинтетическим пу­тем, при выращивании растений в герметичных про­зрачных камерах, в атмосферу которых вводится ме­ченый СОг.

Обязательным требованием при получении расти­тельной массы является ее тотальное мечение, при ко­тором изотопная метка должна в одинаковой степени пометить все основные компоненты растений, т. е. от­дельные соединения, включая как основные активные метаболиты, так и запасные вещества. Поэтому при получении растительной массы должен проводиться обязательный биохимический контроль удельной актив­ности компонентов растительных остатков.,

Несколько сложнее получение меченых органиче­ских удобрений, в частности навоза. Для этой цели обычно скармливают сельскохозяйственным животным меченые корма, например сено. В этом случае целе­сообразно применять стабильные изотопы ¹³С и ¹⁵1М, однако при соблюдении соответствующих радиацион­ных норм можно использовать и корма, меченные ра­диоактивным изотопом ¹⁴С.

Наиболее ценная информация о скоростях разложе­ния органических веществ в почве и о включении про­дуктов разложения в гумусовые вещества может быть получена в полевом эксперименте, который целесооб­разно проводить на микроплощадках размером около

М2.

Органические остатки, измельченные до необхо­димых размеров, вносятся в почву в соответствии с за­данным по схеме опыта распределением: или равномер­но в пахотном горизонте, или локально, в соответствии с распределением корневой системы растений и т. д. В дальнейшем могут проводиться разнообразнейшие наблюдения за меченой органической массой, включая изучение в динамике химического состава меченых ор­ганических веществ, их миграции и др.

Наиболее просто могут быть проведены наблюдения за кинетикой минерализации меченых органических веществ. Если в процессе наблюдений удается достичь относительной стабилизации уровня радиоактивности почвы, то полученная кинетическая кривая уже даст относительно точное представление о величине включе ния углерода разлагающихся веществ в гумусовые соединения почвы. Это представление основывается на резком различии характерных времен для кинетики минерализации органических веществ индивидуальной природы и гумусовых веществ. Если для первых харак­терное время составляет в большинстве случаев в верх­них горизонтах почв единицы лет и менее, то для вто­рых — десятки и сотни лет.

Таким образом, кривая, характеризующая кинетику минерализации внесенного в почву меченого органиче­ского вещества, позволяет оценивать величину включе­ния продуктов разложения в гумусовые соединения и коэффициент гумификации (рис. 16).

Некоторые дополнительные сведения позволяют более точно подойти к оценке величины К_г. Так, в опытах с мечеными веществами на подзолистых и дерново-подзолистых почвах были найдены следующие параметры, характеризующие скорость разложения различных органических соединений.

1. Относительная скорость разложения (β), ха­рактеризующая уменьшение содержания вещества за год в долях; за единицу принимается количество вещества на начало каждого года. Эта величина близка к кине­тической константе.

2. Время половинного разложения T_1/2 — время, необходимое для распада вещества наполовину при ус­ловии, что скорость его разложения будет оставаться постоянной.

3. Время разложения вещества на 95% (практиче­ски полного разложения). Также рассчитывается для условия, что скорость разложения будет оставаться по­стоянной T_0.95≈3/β

Перечисленные параметры, представленные в табл. 7, могут быть использованы в качестве критерия для установления времени полного перехода разлагаю­щихся меченых веществ в состав гумусовых веществ почвы по экспериментально полученной кинетической кривой.

Рассмотрим это на конкретном примере, полученном при изучении разложения меченых корневых остатков ячменя в условиях тяжелосуглинистых подзолистой и дерново-подзолистой почв. На рис. 16 показаны заклю­чительные фазы разложения растительных остатков. Как видно, только после 8—9 лет разложения скорость минерализации соответствует скорости разложения ве­ществ, включившихся в состав гумусовых соединений. К оценке коэффициентов гумификации по получен­ным кинетическим кривым можно подойти следующим образом. Учитывая разброс данных, по которым по­строены кривые, можно считать, что в условиях дерно­во-подзолистой почвы через 8 лет разложения, а в ус­ловиях подзолистой — через 9 лет кинетическая кри­вая выходит на плато. Если принять, что начиная с этих временных точек меченые вещества входят только в состав гумусовых соединений (что подтверждается кинетическими параметрами их минерализации), то коэффициенты гумификации с учетом статистического разброса должны быть приняты равными: для подзо­листой почвы — 10—12%, для дерново-подзолистой — 7-9%.

После 8—9 лет разложения меченых растительных остатков скорость минерализации характеризует поте­ри углерода из гумусовых веществ, что составляет уже иную статью гумусового баланса.

Косвенная оценка коэффициента гумификации, а также коэффициента минерализации гумусовых ве­ществ (К_мг) может быть выполнена по данным радио­углеродного датирования почв для случая, когда почва находится в так называемой климаксной стадии разви­тия, т. е. пребывает в состоянии равновесия с окру­жающими факторами. На данной стадии в почве не происходит заметных направленных изменений, а гу­мусовый баланс для нее может быть представлен про­стым равенством О_пК_г=СК_мг. Это равенство озна­чает, что в почве имеется только одна приходная статья гумусового баланса, равная произведению вели­чины опада на его коэффициент гумификации. Кроме того, приход гумуса равен его расходу, который опре­деляется произведением запасов гумуса на коэффи­циент его минерализации. Равенство может быть при­менимо для почвенного профиля в целом или для от­дельных генетических горизонтов. Наиболее близки к климаксно-равновесному состоянию, вероятно, целин­ные почвы равнинных территорий. Пахотные почвы, находящиеся длительное время (сотни лет) в условиях относительно стабильной системы земледелия, также могут приближаться к такому состоянию.

Для условий климаксно-равновесного (по органиче­скому веществу) состояния почв величина так назы­ваемого «возраста» гумуса т, определяемого радио­углеродным методом, имеет строго определенный физический смысл: это среднестатистическое время пребывания углерода гумуса в данной части профиля, обозначаемое как СВП. Величина, обратная т, соответ­ствует в этом случае доле углерода почвенного гумуса, обновляющегося в среднем за год, и равна К_мт. Та­ким образом, коэффициенты К_ит и К_г в процентах мо­гут быть определены по следующим простым равенст­вам: #_мг = 100/т; К_т = О-1001{х-О_п), где т — величи­на «возраста» гумуса (СВП), определяемого радиоугле­родным методом; О — запас гумуса в любых единицах, например в т/га; О_п — величина годового опада в тех же единицах и для тех же условий, для которых опре­делена величина С

Расчет для дерново-подзолистой почвы (А₄, 0— 20 см; О=60 т/га; корневой опад в А_и 0_П=5 т/га; т = 200 лет) и чернозема (А₄, 0—20 см; О = 200 т/га; корневой опад О_п — 8 т/га; т=1300 лет) дает значе­ния величин К_т — 6 и 2% и Я_мг 0,5 и 0,08% соот­ветственно.

Нетрудно рассчитать, что величина включения орга­нических веществ в состав гумуса для дерново-подзо­листой почвы будет равна 300 кг/га -год и для черно­зема — 160 кг/га-год. Для данного случая этим же ве­личинам будут равны потери гумуса за счет минера­лизации. Пониженные значения К_т и К_шг в чернозе­мах по сравнению с дерново-подзолистыми почвами при более высоких запасах гумуса и величине корне­вого опада связаны с повышенной устойчивостью, инертностью гумуса черноземных почв, его медленным обновлением, с одной стороны, и повышенной минера­лизацией органических остатков вследствие высокой

Таблица 7. Кинетические параметры разложения некоторых органических веществ в почвах подзолистого типа

* В летний период. Для данной группы соединений размерность в сутках, для остальных — в годах.

Таблица 8. Потери почвенном массы и органического вещества в результате развития водной эрозии

микробиологической активности распаханных черно­земов — с другой. Отчасти этими- особенностями черноземных почв можно объяснить колоссальные потери в них гумусовых веществ, которые в некото­рых случаях составили за период сельскохозяйствен­ного использования до половины имеющихся запасов. Причина потерь — усиление минерализации гумуса •при распашке и снижение поступления органических остатков. Существуют и другие способы, преимуще­ственно косвенные, приближенной оценки величин

Кт И Киг.

Различными методами проводится и количественное определение миграционных потоков органического ве­щества. Для оценки потерь в результате боковой по­верхностной и внутрипочвенной водной миграции чаще всего используют специально оборудованные сто­ковые площадки, в нижней части которых собираются воды поверхностного и внутрипочвенного стока. В этих водах определяют содержание любых соединений, в том числе и органических веществ. Потери органиче­ских веществ за счет водной эрозии колеблются в очень широких пределах в зависимости от степени эро-дируемости данных почв и могут достигать громадных величин (табл. 8).

Приведенные цифры свидетельствуют, что за счет эрозии пахотных почв, особенно черноземов, органиче­ское вещество может теряться в гораздо больших коли­чествах, чем за счет его минерализации при распашке. Причем эти потери ввиду их огромных размеров часто не могут быть восполнены величиной включения про­дуктов разложения органических остатков и органиче­ских удобрений в состав гумусовых веществ. Учитывая значительную эродируемость пахотных почв, можно считать, что во многих случаях эрозия является основным потоком, определяющим их гуму­совый баланс. В этих случаях регулирование гумусо­вого баланса будет определяться системой противоэро-зионных мероприятий. Водная эрозия особенно разви­та в Нечерноземной зоне РСФСР, а также в Белгород­ской, Воронежской, Орловской и других областях. Осо­бенно тяжелые последствия водной эрозии наблюдают­ся в горных районах. Потери гумуса в черноземах, о которых говорилось выше, в значительной степени связаны с эрозией почв — как водной, так и ветровой. Потери органического вещества почвами за счет ветровой эрозии в общем соизмеримы с потерями, воз­никающими при развитии водной эрозии. Ветровая эрозия особенно развита на равнинных безлесных тер­риториях, особенно в зоне сухих степей. Однако в пос­ледние годы из-за усилившейся распашки территории и по другим причинам центр развития ветровой эро­зии смещается в северном направлении.

Эрозионное перемещение и переотложение почвен­ного материала может в отдельных случаях стать при­ходной статьей гумусового баланса. Однако такие слу­чаи настолько нетипичны, что на них не стоит оста­навливаться. Основная часть мигрирующего в резуль­тате эрозии почвенного материала необратимо выносит­ся из агроценозов речным стоком в океан, концентри­руется в донных отложениях и т. д.

Наконец, в ряде почв с естественным или создан­ным искусственно, в результате орошения, промывным режимом расходной статьей гумусового баланса мо­жет стать нисходящая водная миграция органического вещества. Оценка этих потерь, выполненная с исполь­зованием различных вариантов лизиметрического метода, показывает, что они могут достигать сотен кило­граммов на гектар в год, быть соизмеримы с минерализационными потерями гумуса. Поэтому они должны учитываться в гумусовом балансе почв с промывным типом водного режима.

Изложенный материал показывает, что количествен­ная оценка гумусового баланса по составляющим пред­ставляет собой довольно сложную экспериментальную задачу, решение которой значительно усложняет пест­рота, неоднородность почвенного покрова. Однако прак­тическая важность проблемы сохранения и оптимизации гумусового состояния почв, прежде всего пахотных, ставит исследователей перед необходимостью изучения баланса органического вещества почв и поиска новых методов его определения и регулирования.

Роль органического вещества в генезисе и плодородии почв

Как уже говорилось, органическому веществу отводит­ся ведущая роль в современных почвенных процессах, связанных с биогеохимическими круговоротами различ­ных элементов. Кроме того, круговорот органического вещества во многом определяет направленность и тем­пы генезиса и эволюции почв, а также важнейшее свойство почвы — плодородие. В. Р. Вильяме писал, что в основе почвообразовательного процесса лежит синтез и распад органического вещества.

Следует подчеркнуть, что ведущее значение в функ­ционировании и свойствах почвы принадлежит именно круговороту органического вещества, а не просто его присутствию и содержанию в почвах (содержание так­же является функцией круговорота), поскольку важ­нейшие свойства почвы, включая плодородие, прояв­ляются в природе во множестве процессов.

Выше уже было показано, что круговорот органи­ческого вещества в почвах обеспечивает круговорот и создание значительного фонда элементов минерально­го питания растений. Однако роль органического ве­щества в плодородии почв этим не ограничивается. Она гораздо шире и разнообразнее. В связи с этим целесо­образно более детально рассмотреть данный вопрос, особенно для пахотных почв.

Одним из следствий экологического и биогеохими­ческого подходов к проблеме повышения продуктивно­сти наземных экосистем является признание ведущей роли не статических свойств почвы, а процессов, определяющих формирование, стабильность или измен­чивость почвенного плодородия. Исходя из этого, для характеристики почвы как важнейшего средства сель­скохозяйственного производства необходимо использо­вать не только статические параметры, которыми чаще всего пользуются в настоящее время, а прежде всего динамические, характеризующие процессы, которые всегда являются составной частью биогеохимических круговоротов.

Роль органического вещества в генезисе, эволюции, жизни и плодородии почв исключительно разнообразна и в полной мере еще не определена. В. Р. Вильяме писал: «...с какой бы стороны мы ни рассматривали почву, с точки ли зрения ее происхождения, ее соста­ва, ее химических или физических свойств и процес­сов, в ней происходящих, будем ли рассматривать воп­рос о плодородии почвы или о содержании в ней пи­тательных веществ, станем ли рассуждать об обработке почвы, об удобрении ее, об осушении или орошении — всюду сейчас же выплывает вопрос об органических веществах почвы как о главном факторе, определяю­щем весь характер, все свойства, всю физиологию

почвы».

Многие почвоведы совершенно обоснованно счита­ют, что главное в генезисе любой почвы — это форми­рование характерного органопрофиля¹⁷. При этом в содержание понятия «органопрофиль» следует вклю­чить не только распределение органического вещества по профилю почвы и его качественный состав, но и режимы трансформационных и миграционных процес­сов, происходящих с органическим веществом в раз­личных частях этого профиля. Формирование органо­профиля связано с многочисленными органо-минераль-ными взаимодействиями в почве, с образованием миг-рационноспособных и малоподвижных, аккумулятив­ных форм органо-минеральных соединений. Если срав­нить почвы различного генезиса, например чернозем и подзол иллювиально-железисто-гумусовый, то разли­чия между ними будут связаны прежде всего с режи­мом трансформации, миграции и аккумуляции органи­ческого вещества.

Органопрофиль черноземов сформирован при разло­жении богатых основаниями и элементами минераль­ного питания корневых остатков степного разно­травья, практически без участия процессов транзитной водной миграции, образующийся гумус обогащен ак­кумулятивными формами — преимущественно мало­растворимыми гуминовыми веществами, связанными с

кальцием.

Органопрофиль иллювиально-железисто-гумусового подзола образован наземными растительными остатка ми преимущественно хвойных пород, бедными основа­ниями и элементами минерального питания. Характер­ное распределение органического вещества по почвен­ному профилю (с двумя гумусовыми горизонтами) связано с развитием процессов транзитной водной миг­рации и аккумуляции минерально-органических соеди­нений. Гумусовые вещества связаны преимущественно с железом и алюминием, при этом преобладают более растворимые фульватные формы гумуса.

Аккумулированные в почвенном профиле органо-минеральные соединения содержат огромный запас элементов минерального питания, который в целом зна­чительно превосходит годовые потребности растений. В зрелых сформированных почвах в условиях естест­венных ценозов этот фонд медленно расходуется и по­стоянно пополняется. Это один из «механизмов» под­держания относительной стабильности почвенного пло­дородия. В большинстве типов почв с органическим веществом связано более 90% потенциально доступно­го растениям азота, более 50% фосфора, серы. Зна­чительная часть доступных форм калия, кальция, микроэлементов находится в сорбированном состоянии, причем сорбционные свойства большинства почв в зна­чительной степени определяются также органическим веществом.

Таким образом, органическое вещество почвы яв­ляется как бы своеобразным регулятором, обеспечи­вающим необходимый уровень расходования элемен­тов питания в конкретных природных условиях и пред­отвращающим непроизводительные потери питатель­ных веществ от вымывания, образования газообраз­ных продуктов и труднорастворимых минеральных соединений. Органическое вещество почв регулирует не только расход элементов минерального питания са­мой почвы, но и благотворно влияет на судьбу мине­ральных удобрений, эффективность которых в хорошо гумусированных почвах всегда выше. Таковы в общих чертах формы прямого участия органического вещества почвы в минеральном питании растений.

Резкий рост численности населения Земли, практи­чески полное использованрге ресурсов земель, удобных для сельского хозяйства, делает проблему повышения почвенного плодородия исключительно актуальной. В то же время некоторые стороны этой проблемы нуж­даются в дальнейших исследованиях и уточнениях.

Имея в виду разносторонний характер действия ор­ганического вещества, А. М. Лыков (1981 г.) назвал его решающим фактором плодородия пахотных почв в условиях современного интенсивного земледелия и аргументировал этот тезис следующими положениями: 1) причинной зависимостью между органическим ве­ществом и возникновением почвы; 2) глобальным воз­действием органического вещества на комплекс агро­номических свойств почвы; 3) наличием обратной свя­зи между агротехническими приемами и содержанием органического вещества в пахотных почвах; 4) невоз­можностью на практике форсированного воздействия на баланс органического вещества в пахотной почве или замены роли органического вещества какими-либо при­емами земледелия.

Как известно, органическое вещество почвы вклю­чает в себя остатки организмов (растительного и жи­вотного происхождения) и собственно гумус. Рас­смотрим роль этих двух групп органического вещества в формировании почвенного плодородия.

Установлено, что гумус оказывает большое положи­тельное влияние на физические свойства почвы. Вслед­ствие цементирующего действия ряда его соединений улучшается почвенная структура. В большинстве слу­чаев более гумусированные почвы характеризуются лучшими показателями водно-воздушного и теплового режимов. Кроме того, почвы с большим содержанием гумуса биологически активнее: численность микроорга­низмов в них выше, а их видовой состав разнообраз­нее, продуцирование С0₂ происходит интенсивнее, ферментативная активность повышена. Обнаружена, но не­достаточно исследована физиолого-биохимическая роль гумуса. Гумусированные почвы устойчивы к эрозион­ным процессам, а при неблагоприятных погодных ус­ловиях в большей степени способны обеспечивать рас­тения факторами жизни. Установлена повышенная эффективность действия минеральных удобрений на почвах с высоким уровнем гумусированности.

Таким образом, эффективное плодородие пахотных почв существенно зависит от содержания гумуса. Для подтверждения данного положения обычно указывают не только на улучшение ряда почвенных параметров и режимов, но и на тесную корреляцию между содержа­нием в почве гумуса и урожаем, причем на более гу­мусированных почвах получают также продукцию лучшего качества. Однако необходимо помнить, что корреляция еще не доказывает наличия прямой при­чинно-следственной связи между явлениями. Урожай зависит от целого комплекса факторов: уровня эффек­тивного плодородия пахотных почв, биологических осо­бенностей растений, агротехнических и метеорологиче­ских условий и ряда других. Поэтому урожайность сельскохозяйственных культур может лимитировать или стабилизировать любой из этих факторов, главным образом их сочетание.

Можно привести ряд примеров, подтверждающих это положение. На большинстве почв в странах Запад­ной Европы при низком уровне гумусированности по­лучают стабильно высокие урожаи различных куль­тур, при этом невысокое содержание гумуса не является препятствием для применения большого ко­личества * минеральных удобрений. Известны также случаи, когда низинные торфа, сапропели и другие источники обогащения почвы гумусом не оказывают положительного влияния на урожай. Варианты опытов, в которых изучалось совместное влияние торфа и ми­неральных удобрений, часто не имели достоверных пре­имуществ перед вариантами с теми же дозами одних минеральных удобрений.

- Эти примеры приведены не для того, чтобы поста­вить под сомнение большую положительную роль гу­муса. При всей зависимости урожая сельскохозяйст­венных культур от комплекса различных условий гу-мусированность почв, во многом определяя уровень почвенного плодородия, является одним из наиболее важных факторов, но, конечно, не единственным. По­этому, учитывая большое агрономическое значение гу­муса, а также резкое снижение его содержания в па­хотных почвах, в качестве одной из основных задач, решение которой направлено на повышение плодоро­дия почв, следует считать стабилизацию уровня их гумусированности. В связи с этим и возникает необ­ходимость изучения и контроля приходных и расход­ных статей гумусового баланса в почвах, а также оценка статических показателей, характеризующих гумусовое состояние пахотных почв (Гришина, Орлов, 1978).

Качественный состав гумуса, соотношение и свой­ства его групп и фракций в значительной степени оп­ределяют его влияние на формирование почвенных свойств, рост и развитие растений. Однако вопрос об оптимальном в агрономическом отношении качествен­ном составе гумуса для разных почв, а также путях его достижения и регулирования является наименее

изученным.

К основным мероприятиям по регулированию уров­ня гумусированности относятся: систематическое вне­сение в почву достаточно высоких доз органических удобрений в виде навоза и торфяных компостов, при­менение зеленых удобрений, травосеяние, рациональ­ная система обработки почвы, мелиорация, противоэрозионные мероприятия. Однако различные способы увеличения уровня гумусированности пахотных почв приводят к образованию гумуса разного качественного состава. Например, внесение торфа или торфо-минеральных компостов, содержащих много готовых специ­фических гумусовых соединений, увеличивает как бы «механически» их содержание в исходных почвах, в то время как трансформация в почве зеленых удобрений, т. е. растительной массы, и включение входящих в нее элементов в биогеохимический круговорот способству­ют интенсификации процессов обновления, «омолажи­вания» почвенного гумуса, новообразованию его со­ставляющих и, как будет показано ниже, оказывают весьма существенное влияние на плодородие почвы и урожайность. Эффективность и целесообразность раз­личных способов стабилизации содержания гумуса в почвах также требуют дальнейшего изучения.

И в заключение еще раз обратим внимание на одно обстоятельство. Многие выводы о влиянии гумуса на ряд почвенных параметров сделаны на основе корреляции, без разбора возможного механизма (химизма) и без количественной оценки масштабов его воздейст­вия. Как правило, в почве определялись содержание гумуса и параллельно другие показатели. Далее срав­нивался ряд почв и делались выводы об изменении свойств с увеличением или уменьшением уровня их гумусированности. Однако любая почва всегда содер­жит растительные остатки, причем, как правило, более гумусированные почвы наиболее богаты ими. Поэтому есть основания полагать, что положительное воздей­ствие органического вещества на свойства почвы не всегда может быть обусловлено действием только спе­цифических гумусовых соединений. Изменение величин почвенных параметров в более гумусированных почвах может объясняться и частичным действием раститель­ных остатков или, что более правильно, комплексным действием двух главных составляющих органического вещества почвы.-

Перейдем к рассмотрению вопроса о влиянии ра­
стительных остатков на плодородие почв. Остатки ра­
стений являются основной частью органического веще­
ства почвы негумусовой природы и в большинстве почв
составляют 5—15% его количества. Говоря о сущности почвенного плодородия, напомним, что его воспроизводство — одна из наиболее важных функций почвы —возможно только при протекании биогеохимического круговорота, который является причиной возникновения, развития и поддержания плодородия. Обязательным участником круговорота являются растительные остатки.

К настоящему времени достаточно хорошо установ­лены величины биомассы и количество растительных остатков, поступающих в почву с опадом в природных условиях (см. табл. 4). Количество пожнивных и кор­невых остатков, которое оставляют различные сельско­хозяйственные культуры, также хорошо изучено. Ре­зультаты этих исследований представлены в табл. 9. Наибольшее количество растительных остатков остав­ляют клевер и его смеси со злаками; среди зерновых — озимые культуры. Много растительных остатков оста­ется после других культур, таких, как люпин, серадел­ла, люцерна и др. Пропашные характеризуются наименьшим количеством растительных остатков.

В отличие от природных экосистем в агроценозах главной особенностью круговорота является ежегодное необратимое отчуждение с урожаем значительной части биомассы, а следовательно, элементов питания. Доля возврата последних в почву в виде пожнивно-корневых остатков сильно колеблется, но в большинст­ве случаев составляет 20—30% от выноса. Но даже если удается создать бездефицитный баланс основных биофильных элементов за счет внесения органических и минеральных удобрений, формы, в которой они по­падают в почву, их соотношение, а следовательно, и влияние на основные агрономические свойства почвы характеризуются существенным качественным отли­чием от таковых при внесении растительных остатков. Данных сравнительных исследований о действии растительных остатков и удобрений на свойства почвы

Таблица 9. Количество растительных остатков, оставляемых полевыми культ/рами аа ротацию 9-полышго севооборота (данные Б. И, Алиевой)

Воздушно-сухой вес, ц/га, при урожаях *

Культура

Пар занятый (горох, люпин,

вико-люпин)

Озимая пшеница

Клевер 1-го года пользования

Ярогые зерновые (яровая пше­ница, овес, ячмень)

Пар занятый (горох, люпин,

вико-овес)

Озимая пшеница

Бобовые культуры (кормовые

бобы и др.)

Картофель

Яровые зерновые

Всего за ротацию

Среднее за год

* Низкие: зерно 10—15 ц/га, сено 15—20, картофель 100; средние — со­ответственно 20—25, 30—35, 200; высокие — 30—40, 50—60 и 250— 300 ц/га.

и урожайность сельскохозяйственных растений очень мало. Между тем растительные остатки являются пол­ноценным, сбалансированным источником питания. Так, в природных ценозах лесной опад представляет собой как бы естественное удобрение, содержащее все необходимые вещества в формах, легко усвояемых ра­стениями. Лесная подстилка обладает наибольшим пло­дородием по сравнению с другими горизонтами лесных почв.

В вегетационных опытах Ганжй (цит. по: Роде Смирнов, 1972) в сосудах с лесной подстилкой расте­ния развивали большую биомассу, чем на других го­ризонтах подзолистой почвы (каждый сосуд был запол­нен почвой определенного горизонта: А₀, А₄, А₂, 'В, ВС). Кроме того, рядом исследователей замечено, что лесная подстилка, содержащая наибольшее количество органических остатков, характеризуется самой высокой концентрацией корней вегетирующих растений (Валь­тер, 1974; Пономарева, 1976).

Исследования, проведенные в естественных лесных биогеоценозах, показали, что 80—90% всех зольных элементов поступает в растения из наземного опада. При этом фосфор усваивается не менее чем на 95%, железо — на 70%. Таким образом, растения лесных ценозов получают элементы зольного питания почти полностью из растительных остатков собственного опа­да или от предшествующих поколений. При этом бла­годаря высоким значениям коэффициентов использо­вания зольных элементов из растительных остатков природные ценозы «работают» и продуцируют биомас­су с ничтожными потерями зольных элементов из кор-необитаемого слоя. Практически полным возвратом элементов в почву в составе растительного опада и полным использованием их из органических остатков предыдущих лет обеспечивается сбалансированность биогеохимического круговорота в природных условиях, благодаря которому и происходит воспроизводство пло­дородия в естественных ценозах.

Очевидно, что в агроценозах даже небольшие ко­личества растительных остатков вносят определенный вклад в питание сельскохозяйственных культур. Срав­нительное изучение коэффициентов использования культурными растениями ряда элементов минерально­го питания из удобрении и растительных остатков по­казало существенное преимущество последних. Таким образом, исследования подтверждают значительный вклад растительных остатков в создание бездефицит­ного гумусового баланса в пахотных почвах. При раз­работке доз необходимо учитывать запасы питатель­ных элементов, сосредоточенные в их составе.

Так, в опытах с радиоактивным изотопом (фосфор-32) было показано, что озимая пшеница, идущая по пласту многолетних трав, использует-фосфор из расти­тельных остатков не менее чем па 60%, в то время как фосфор минеральных удобрений использовался не более чем на 15—18%. Аналогичные эксперименталь­ные результаты были получены с кальцием и цинком. Анализ причин этого явления показал, что повышен­ное использование элементов минерального питания из растительных остатков связано с локализацией актив­ных корней живых растений в зонах почвы, обогащен­ных мертвыми корнями. В свою очередь локализация обусловлена тем, что живые корни находят в расти­тельных остатках полноценное и сбалансированное ми неральное питание, т. е. содержащее все макро- и микроэлементы в нужном соотношении. На рис. 17 по­казан один из результатов опыта, иллюстрирующий эффект локализации живых корней в искусственно со­зданной зоне, обогащенной растительными остатками. Не исключено, что в зоне разлагающегося органи­ческого вещества живые корни, помимо минеральной пищи, находят определенные продукты микробного синтеза, оказывающие положительное влияние на рост и развитие растений. Некоторые экспериментальные наблюдения дают основание для такого предположе­ния, однако данный вопрос требует изучения.

Рис. 17. Кривые распределения живой корневой массы в условиях вегетационного опыта с дерново-подзолистыми почвами. Наличие пика наблюдалось в вариантах при обогащении слоя 5—6 см растительными остатками

В экспериментальных исследованиях по влиянию растительных остатков на рост и развитие сельскохо­зяйственных культур получены очень выразительные результаты, особенно при низких уровнях содеряшния растительных остатков в почве. На рис. 18 показаны два варианта вегетационного опыта с ячменем (данные И. Ю. Мишиной). В варианте с резко пониженным уровнем биомассы были тщательно отобраны расти­тельные остатки. Возникший при этом отрицательный эффект не удавалось устранить ни соответствующими дозами минеральных удобрений, ни увеличением со­держания в почве собственно гумусовых веществ. Эти и аналогичные результаты дают основание рассматри­вать растительные остатки и весь комплекс процессов, связанных с их превращением, как важное условие формирования почвенного плодородия не только в ес­тественных, но и в агрономических ценозах.

Растительные остатки, как и гумусовые вещества, оказывают комплексное влияние на физические свой­ства почвы и многие статические показатели, а также на характеристику происходящих в почве процессов и ее плодородие.

Положительная роль органического вещества не ог­раничивается влиянием на показатели почвенного пло­дородия. Наличие в почве разлагающейся органической массы оказывает благотворное действие на биологиче­скую продуктивность за счет выделения из почвы и создания в приземном слое повышенной концентрации двуокиси углерода. В ряде работ показано, что в ус­ловиях высокой обеспеченности сельскохозяйственных растений влагой, минеральной пищей и другими чисто почвенными факторами продуктивность агроценозов может лимитироваться содержанием С0₂ в воздухе.

Итак, можно считать установленным, что главные компоненты органического вещества ночи ■— собственно гумусовые вещества и органические остатки раститель­ного происхождения —_: оказывают существенное влия­ние на почвенное плодородие. Сформированный фонд гумусовых веществ придает определенную стабиль­ность структурному состоянию почвы, сорбционным параметрам, буферности, наличию потенциально до­ступных для растений элементов минерального пита­ния, в первую очередь азота, а также другим, преиму­щественно статическим свойствам почвы. Постоянное пополнение в почве фонда отмерших растительных ос­татков стимулирует прежде всего нормальное проте­кание процессов микробиологической трансформации органических остатков, обновление и воспроизводство почвенного гумуса, минерального питания растений. В то же время многие вопросы, связанные с гумифи­кацией органических остатков и ролью всего органи­ческого комплекса почвы в ее нормальном функциони­ровании и плодородии, требуют дальнейшего изучения. Прежде всего следует отметить недостаточность знаний механизмов участия органического вещества в различных биологических и абиотических процессах, происходящих в почвах, в частности процессов, иду­щих на молекулярном уровне. Только глубокие знания сущности явлений могут стать основой направленного регулирования и оптимизации процессов, происходя­щих в пахотных почвах и агроэкосистемах. Решение этих вопросов во многом зависит от перехода на ка­чественно новый уровень теоретических и эксперимен­тальных исследований. В почвоведении еще предстоит переход от преимущественно «мертвых» почвенных образцов к изучению собственно процессов в «живом» почвенном объекте.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: