Влияние содержания органического вещества в почвах на урожайность сельскохозяйственных культур

Выявление связи содержания гумуса с урожаем сельскохозяйственных культур является весьма сложной задачей и пока плохо поддается математическому выражению. По мнению некоторых авторов, прямое действие гумуса проявляется только при неблагоприятных условиях роста и развития растений (засуха, затопление, отсутствие питательных веществ и т. д.) [79]. С этим связано, по-видимому, то, что многими авторами не было выявлено тесной связи между содержанием гумуса и урожаем сельскохозяйственных культур [11, 40].

Очевидно, решающую роль играет не только общее содержание углерода, но и качественное состояние opганического вещества, его способность активно участвовать в почвенных биохимических процессах, обеспечивающих, с одной стороны условия для быстрой трансформации высоких концентраций минеральных солей, а с другой — мобилизацию необходимых растениям питательных элементов. Кроме того, в современных условиях интенсивного земледелия приобретает особое значение роль гумуса в улучшении физических и водных свойств почвы, что, в конечном счете, ведет к повышению почвенного плодородия.

Исследования Свердловской агрохимической зональной лаборатории на почвах различных типов показали, что урожай зерновых и картофеля при внесении РК (фон) возрастал от низкок высокогумусированным почвам. Увеличение урожаев зерновых при внесении азотных удобрений также росло по мере перехода к более гумусированным почвам. Урожай зеленой массы кукурузы при внесении N₁₈₅P₉₀К₄₅ на разных почвах был тем выше, чем большим исходным плодородием характеризовалась почва [36].

Гумус оказывает на урожай культур прямое и косвенное влияние. Прямое влияние обусловлено использованием растениями содержащихся в гумусе азота и других питательных веществ, освобождающихся при его минерализации, косвенное — в улучшении условий произрастания на более гумусированных почвах и в повышении коэффициентов использования питательных веществ удобрений.

В длительном микрополевом опыте ВНИПТИОУ выявлено, что урожайность зерновых и пропашных культур без применения минеральных удобрений возрастала пропорционально увеличению содержания в почве гумуса. В то же время при применении органоминеральной системы удобрений кривая роста урожая выходит на плато при содержании гумуса 2,4%, а для бобовой культуры — клевера оно не имело существенного значения [51].

Наибольшая прибавка и оплата как минеральных, так и органических удобрений урожаем получены при исходном уровне гумусированности почвы 1,5%. При этом, если оплата 1 кг минеральных удобрений незначительно изменялась с ростом содержания гумуса в почвах, то эффективность навоза снижалась на высокогумусированных в 1,6−2,9 раза.

Одним из методов выявления роли органического вещества в плодородии почв и повышении урожайности культур является сравнение эффективности различных систем удобрений (органической, органоминеральной и минеральной) в длительных полевых опытах. При выравнивании систем удобрений по количеству питательных веществ, различия в действии систем удобрений обусловлены количеством органического вещества, поступающего с удобрениями.

На черноземах бывшей Мироновской опытной станции длительное сравнение разных систем удобрения, применяемых в высоких дозах, показало, что «навозная» система по сравнению с «минеральной» и «сметанной» обеспечила получение наиболее высоких урожаев и, чго не менее важно, их устойчивый рост во времени [32].

На дерново-подзолистых почвах в аналогичных длительных опытах в льняном севообороте преимущество оставалось за системой удобрений с использованием навоза и навоза совместно с NPK[48].

В ряде длительных опытов применение навоза и минеральных удобрений свидетельствует о примерно равном влиянии обоих видов удобрений на урожаи полевых культур. Укажем, что в дальнейшем, по достижении некоего временного рубежа (длительности опытов) положение меняется. На Ротамстедской опытной станции, начиная с определенного времени урожаи ячменя и пшеницы при унавоживании достоверно превышают урожаи тех же культур при примерно эквивалентном внесении минеральных удобрений и извести [33].

Классическим примером особой эффективности навоза являются урожайные данные, полученные для одной из делянок бессменного ячменя на поле Хусфилд. На этой делянке навоз вносили первые 20 лет опыта, затем его внесение было прекращено. В течение последующих 65 лет опыта, несмотря на полное отсутствие удобрений, урожай на этой делянке был выше урожая контрольной делянки (без удобрений с начала опыта) в среднем на 6,3 ц/га [36].

По данным Г. Кольбе, урожаи ржи в опыте «Вечная рожь» (Галле) за 1964;1968 гг. по отношению к урожаю в первый год опыта (1878 г.) при унавоживании (12 т/га ежегодно) составили 112,6%, а при внесении минеральных удобрений (N₄₀P₄₀K₉₀) только 85,9%, хотя в целом за 90 лет опыта урожаи на NPK — делянке выше.

Поданным Е. Шульце положительное действие навоза по сравнению с внесением NPK в 36-летнем опыте в Дикопсгофе составило 18%. В дополнительно проведенных опытах при внесении уже высоких доз минеральных удобрений оно составило 12−14% [1].

По данным О. Торнау, в Геттингснском длительном опыте при внесении только минеральных удобрений урожаи в течение 50 лет поддерживались на стабильном уровне; в последующие 15 лет снижение урожаев составило 10% [36].

В. Лаач, ссылаясь на Е. Митчерлиха, утверждает неизбежность падения урожаев при систематическом применении NPK и исключении из системы удобрения навоза или других органических материалов. Автор считает, что в интенсивном земледелии речь может идти только о более полной замене минеральных удобрений навозом, а ни в коем случае — наоборот [60].

По С. Энену, увеличение урожаев при внесении высоких доз минеральных удобрений, но фону органических подтверждает большое косвенное влияние гумуса па плодородие почвы. Это влияние будет возрастать по мере дальнейшей интенсификации земледелия [1].

Ф. Секера, заботу о поддержании определенного уровня гумусированности в плодородной почве связывает с тем, что в земледелии происходит противоестественное вторжение в жизнь почвы как природного, развивающегося тела. Без органического вещества невозможен высокий уровень превращения энергии в почве, а, следовательно, и высокая продуктивность почвы [45].

Е. Вельте считает сегодняшний высокий уровень продуктивности земледелия результатом взаимодействия цепи факторов, первое звено которой — минеральные удобрения, а последнее — постоянное обеспечение почвы гумусом. Гумус в почве обладает глобальной регуляторной функцией, которая тем выраженнее, чем менее благоприятны свойства почвы и условия местообитания. Ф. Шеффер особое влияние органического вещества в интенсивно используемой почве связывает с его косвенным влиянием на плодородие почвы [36].

2. Влияние окультуривания и применения удобрений на содержание и качественный состав органического вещества почв Сельскохозяйственная деятельность приводит к значительному изменению гумусового состояния пахотных почв, по сравнению с целинными аналогами. Многие авторы указывают на продолжающееся снижение содержания гумуса в почвах различных зон.

За 30 лет интенсивной эксплуатации почв Саратовской области содержание в них гумуса снизилось с 7,0 до 6,5%, а в целом по Центрально-Черноземной зоне — с 5,6 до 5,1% [41].

В Башкортостане почвы за время их сельскохозяйственного использования утратили около 20% гумуса. Ежегодная его потеря составляет в среднем 300 кг/га [49].

По мнению ведущих почвоведов, за последние 100 лет запасы органического вещества в черноземах нашей страны уменьшились в два раза [28, 29]. К таким же выводам пришла Г. С. Макунина. Согласно ее расчетов общие потери гумуса на всей площади сельскохозяйственного освоения черноземов составили около 40% [37].

В 40−50-х годах большое внимание проблеме органического вещества почвы (динамике при земледельческом использовании почвы, связи урожайности с содержанием в почве гумуса и др.) уделяют американские и канадские исследователи. Г. Иенни, Л. Томпсон, X. Хаас с соавторами, Ч. Хобс, отмечая резкое снижение гумусированности почвы при ее экстенсивном земледельческом использовании, как правило, устанавливают при этом параллельное падение урожаев пшеницы, кукурузы и других культур [36].

Потери определенной части гумуса при сельскохозяйственном освоении почв — часто процесс неизбежный и главной задачей является его замедление. Резкое снижение общего запаса гумуса как лабильной, так и устойчивой его частей обуславливает физическую деградацию почв, при развитии которой почвы приобретают качества бесструктурного и инертного субстрата с плохими водно-физическими свойствами и низким почвенным плодородием. Все это приводит к снижению противоэрозионной устойчивости, что и делает потери гумуса в эродированных почвах недопустимыми.

Орлов Д.С. отмечает, что при усиленной минерализации органического вещества в результате интенсивной обработки и повышения степени аэрации в случае недостаточного поступления в почву пожнивных остатков и органических удобрений содержание и запасы гумуса всё же постепенно стабилизируется, соответственно сложившимся агроэкологическим условиям, но на более низком уровне, чем в целинном варианте. Подобные изменения происходят в первые годы применения удобрений и других агротехнических приемов [31, 45].

С другой стороны, окультуривание вызывает многообразное и глубокое влияние на свойства почвы: биологические, химические, физические, которое ведет к изменению всего почвообразовательного процесса в целом. Дерново-подзолистые почвы утрачивают свои первоначальные черты и приобретают новые. В них создается мощный перегнойный горизонт, повышается содержание углерода, азота и других элементов. Повышение содержания углерода сопровождается перераспределением группового состава, увеличением группы гуминовых и уменьшением фульвокислот в составе гумуса. Органическое вещество становится менее подвижным, более устойчивым против вымывания, разрушения. Вместе с изменением органического вещества наблюдается увеличение содержания общего азота, снижается количество его гидролизуемых фракций [16].

Пупков A.M. и Сахарцев В. П. показали, чем выше степень окультуренности почвы, тем меньше подвижность гумусовых веществ, что способствуем закреплению гумуса в профиле окультуренных почв [53].

Внесение в почву органических удобрений практически во всех случаях увеличивает содержания гумуса, размеры которого зависят от доз навоза, длительности применения и почвенно-климатических условий местности. Причем, в почвах, природно бедных гумусом, содержание его может быть поднято выше исходного уровня, а в более гумусированных почвах приблизится к нему [3].

Литературные данные о воздействии минеральных удобрений на интенсивность превращения гумуса противоречивые. Так, одни авторы считают, что применение минеральных удобрений способствует усилению минерализации органического вещества и следовательно снижению его содержания в почве, в то время, другие данные свидетельствуют о том, что под влиянием азотных удобрений снижается интенсивность процессов превращения гумуса [10, 35].

Минеев В.Г. и Шевцова Л. К. показали, что в длительных опытах без удобрений потери гумуса за 20−40 лет могут достигать 30−40% от исходного содержания, такого же размера потери возможны при использовании только минеральных удобрений, даже при условии известкования [40].

Для обеспечения бездефицитного баланса гумуса большинству пахотных почв требуется внесение органических удобрений в количестве 10−15 т/га. Не меньшая роль отводится минеральным удобрениям. Минеральные удобрения стабилизируют содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах и препятствуют его потерям. Некоторые авторы считают, что минеральные системы удобрения не способны обеспечить бездефицитного баланса. Другие отмечают, что известкование и рациональные севообороты в сочетании с минеральными удобрениями на кислых дерново-подзолистых почвах, обладающих низким естественным плодородием, способны создавать бездефицитный баланс гумуса [65].

Максимальные изменения содержания гумуса происходят в первые 7−10 лет после введения любых систем удобрений, затем его содержание стабилизируется на определенном уровне, который зависит как от применяемой системы, так и от агрохимических характеристик сельскохозяйственного угодья, и том числе генетически обусловленных почвенных свойств [45].

Совместное применение органических и минеральных удобрений, являясь наиболее благоприятным для растений, оказывают положительное влияние на содержание гумуса в почве, приостанавливая снижение его содержания, а иногда повышая его.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений не только сокращает потери органического вещества, но и улучшает его качество. В составе гумуса увеличивается содержание новообразованных, водорастворимых, легкоминерализуемых фракций, играющих важную роль в почвенных процессах. Изменение качественною состава гумуса происходит, главным образом, за счет гумификации органической массы корневых и пожнивных остатков, количества которых резко возрастаем под влиянием удобрений. По мнению ряда исследователей систематическое применение удобрений, особенно навоза, значительно изменяет состав гумуса, повышая в нем содержание гуминовых кислот, в результате чего отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот заметно расширяется [54].

В то же время другие авторы считают, что состав гумуса не значительно меняемся во времени и увеличение содержание общего углерода почвы при применении удобрений сопровождается равномерным повышением содержания всех групп гумуса.

Также противоречивы данные исследователей об изменении состава гумуса почв разных типов при их окультуривании. Один авторы утверждают, что окультуривание приводит к улучшению состава гумуса и большему накоплению в его составе группы гуминовых кислот [14]. Другие отмечают слабое действие окультуривания на состав гумуса, который сохраняет основные свойства, присущие процессу гумификации почвы исследуемой зоны [2].

Противоречивость данных определяется рядом причин: использованием различных методов, интенсивностью и длительностью воздействия различных приемов агротехники, генетической устойчивостью гумусовых веществ к воздействию извне и т. д.

Длительное применение минеральных и органических удобрений способствует резкому увеличению подвижности гумусовых веществ, находящихся на ранних гидрофильных стадиях гумификации [42, 62].

Кононова М.М. и Бельчикова Н. П., отмечая некоторую тенденцию в увеличении негидролизуемого остатка в окультуренных почвах, приходят к выводу, что при освоении почв гумус сохраняет черты, присущие данному типу почвы, подчиняясь закону зональности [31].

По данным Лыкова A.M. и др. систематическое унавоживание дерново-подзолистых почв (при периодическом известковании) способствует обогащению их менее «зрелыми» гуминовыми соединениями, в молекулах которых преобладают малоконденсированные структуры с выраженными алифатическими цепями, а также вызывает гидратацию молекул гуминовых кислот [36].

Девятова Т.А. и Стороженко Н. В. установили, что под влиянием систематического внесения удобрений на выщелоченном черноземе увеличиваются фракции свободных и связанных с подвижными полуторными окислами гуминовых кислот [60].

Орлов Д.С.считает, что по мере окультуривания проявляется тенденция относительного уменьшения содержания фракции 1 (ГК-I) и нарастания фракции 2 гуминовых кислот (ГК-II). Фульвокислоты при этом обладают высокой миграционной способностью, о чем свидетельствует их относительное накопление в нижних горизонтах почвенного профиля. Вниз, но профилю изменяется и отношение С_гк: С_фк. Авторы делают вывод, что по мере окультуривания дерново-подзолистых почв различие в количестве гумуса в разных генетических горизонтах и его качественном составе сглаживаются, а тип гумуса в пахотном горизонте по мере окультуривания может перейти в фульватно-гуматный [44].

По мнению Севастьянова А. Ю., внесение одних только минеральных удобрений способствует формированию в ГК периферических структур, наиболее доступных микроорганизмам [36].

По данным Орлова Д. С. внесение физиологически кислых удобрений может вызвать разложение и биодеградацию гумуса, активацию микрофлоры. А повышение дисперсности гумусовых веществ в элювиальных ландшафтах сопровождается усилением их выноса до грунтовых вод. Постоянное действие этих факторов может привести к непрерывному, хотя и медленному уменьшению содержания гумуса, если она не компенсируется хотя бы небольшими дозами органических удобрений [45].

Применение органических удобрений вызывает наибольшее увеличение содержания подвижного гумуса (на 7−20%). Максимальное образование подвижных компонентов гумуса наблюдается в период интенсивной гумуфикации растительных остатков. Внесение навоза является важным приемом регулирования содержания и состава стабильного гумуса, особенно малогумусированных почв. При использовании гумуфицированного органического удобрения восполняются запасы всех фракций гумусовых кислот в почве, содержащихся в составе сформированной системы гумусовых веществ. В условиях отсутствия источников пополнения запасов углерода в почве преимущественной минерализации подвергаются подвижный гумус и фульвокислоты, характеризующиеся более высоким содержанием углерода, гидролизуемых соединений азота — аминокислот и низким участием в их формировании ароматических структурных компонентов по сравнению с гуминовыми кислотами [35].

В дерново-подзолистой почве трансформация гумусовых веществ в результате многолетнего применения минеральных и органических удобрений имеет ряд особенностей: явное преобладание минерализационных процессов гумуса над трансформационными, преобладание минерализации негидролизуемого остатка, изменение направленности и темпов трансформационных процессов, что выражается в снижении потерь негидролизуемого остатка, увеличение содержания ГК, что, по мнению авторов, обусловлено, прежде всего, трансформацией негидролизуемого остатка, а возможно и новообразованием ГК.

В то же время по данным других авторов, при внесении удобрений в почвах со сформированным составом гумусовых веществ, происходят не только процессы образования новых молекул гумусовых кислот, но и процессы фрагментарного обновления за счет первичных продуктов разложения органических остатков. Обогащение гумуса периферическими цепями и новообразованными гумусовыми кислотами ведет к увеличению негидролизуемого остатка, обогащению высокомолекулярными разветвленными компонентами с максимальным содержанием азота аминогрупп, уменьшению в их составе карбоксильных групп.

По мнению Кауричева И. С. и Лыкова A.M. включение новообразованных гумусовых кислот в «старый» гумус происходит пропорционально содержащимся в нем фракциям [25].