РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГЕНЕЗИСЕ И ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ

Лекция 9

Органическое вещество играет очень важную роль не только в генезисе и плодородии почв, но и в нормальном функционировании биосферы.
Органическое вещество почвы оказывает решающее влияние на глобальный круговорот углерода, составляющего основу жизни и эволюции биосферы Земли. Без непрерывного поступления углекислоты из почвы в атмосферу ее запасов, по некоторым оценкам, хватило бы не более чем на 35 лет. Только благодаря круговороту органического вещества существуют биогеохимические круговороты других элементов, поскольку главные трансформационные и миграционные потоки в биогеоценозах возможны лишь при прямом или косвенном участии живого или мертвого органического вещества.

Гумус почвы - основной источник энергии для процессов пре вращения в почве органических и минеральных соединений, биосинтетических и органоминеральных реакций, жизнедеятельности микроорганизмов и т. д. Суммарные запасы энергии, связанной в гумусе почвенного покрова всей суши планеты, равны или превышают запасы энергии, накопленной надземной частью фитомассы. Следовательно, гумусовую оболочку суши можно считать общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии, образованной в процессе фотосинтеза. В формировании и функционировании почвы, ее свойствах, уровне плодородия важную роль играют все компоненты Органического вещества, выполняющие различные функции.

Функции, связанные с генезисом и свойствами почвы. В зависимости от условий почвообразования в формировании генетического профиля почвы ведущую роль играют как специфические гумусовые кислоты, так и другие компоненты органического вещества.

В благоприятных для гумификации условиях формируется хорошо выраженный органопрофиль мощностью до 100 см и более. В его образовании главную роль играют гуминовые кислоты, взаимодействие которых с минеральной частью почвы сопровождается образованием малорастворимых солей и глиногумусовых комплексов. Трансформация минеральной части почвы под влиянием органических кислот выражена слабо или отсутствует вообще. Гумусовые кислоты практически не участвуют в миграционных процессах. В профиле почвы накапливается много гумуса и питательных веществ. Такие условия складываются под травянистой растительностью лесостепной и степной зон, где формируются черноземы.

При временном избыточном увлажнении в образовании генетического профиля почвы активное участие принимают фульвокислоты и различные низкомолекулярные органические соединения. Их взаимодействие с минеральной частью почвы сопровождается разрушением первичных и вторичных минералов. При этом образуются подвижные гетерополярные и комплексно-гетерополярные соли, активно мигрирующие в почвенном профиле и способствующие профильной дифференциации веществ, а также обособлению генетических горизонтов. Органопрофиль таких почв, как правило, небольшой мощности с невысоким содержанием гумуса и питательных веществ. Таковы подзолистые и дерново-подзолистые почвы.

При постоянном переувлажнении резко тормозятся процессы разложения растительных остатков. Они накапливаются на поверхности, формируя органопрофиль болотных почв, состоящий из торфа, находящегося на разных стадиях разложения.

Гумус сильно влияет на морфологические признаки почвы. При высоком содержании в почве гумуса, а в его составе гуминовых кислот верхняя часть почвенного профиля имеет темную окраску, как правило, рыхлое сложение, комковатую или зернистую структуру. В малогумусных почвах с высоким содержанием фульвокислот органопрофиль окрашен в светло-серые тона, почвы уплотнены, часто бесструктурны и содержат много органо-минеральных новообразований в виде различных конкреций.

С гумусом прямо или косвенно связаны многие свойства почвы. Так, почвы с высоким содержанием гумуса отличаются высокой буферностью и поглотительной способностью, до 70 % которой может быть обусловлено органической частью почвы. В почвах, не насыщенных основаниями, свободные фульвокислоты и низкомолекулярные органические кислоты принимают участие в формировании актуальной кислотности. В почвах с щелочной реакцией среды гуматы и фульваты натрия вносят вклад в актуальную щелочность, а также пептизируют и стабилизируют почвенные коллоиды.

Органическое вещество играет большую роль в регулировании окислительно-восстановительного состояния почв. Выступая как окислитель и восстановитель, а также как буфер в окислительно-восстановительном интервале, органическое вещество в значительной мере определяет окислительно-восстановительную буферную емкость почвы. Это имеет важное практическое значение и широко используется в сельскохозяйственном производстве, в частности при возделывании риса. При внесении соломы в почвы рисовых полей увеличивается окислительно-восстановительная буферная емкость, медленнее падает окислительно-восстановительный потенциал и задерживается образование токсичного Н₂ до момента развития более взрослых и более устойчивых к анаэробиозису растений.
Гумусированные почвы, как правило, лучше оструктурены. Образование агрономически ценных водопрочных агрегатов обусловлено возникновением глиногумусовых и органоминеральных комплексов и сопровождается увеличением межагрегатной и внутригагрегатной пористости.

Органическое вещество важный фактор оптимизации водного режима почв, поскольку с увеличением его содержания возрастает величина свободной поверхности и соответственно влагоемкость почвы. Причем с органическим веществом вода связана менее прочно, чем с минеральными компонентами, и, следовательно, более доступна растениям. В то же время при увеличении пористости и улучшении агрегированности под влиянием органического вещества вода лучше проникает в почву, возрастает ее водоудерживающая способность. В результате уменьшаются испарение и сток воды с поверхности почвы, ослабляются эрозионные процессы.

С органическим веществом связан и тепловой режим почв. Высокогумусированные темноокрашенные почвы имеют температуру на несколько градусов выше светлоокрашенных малогумусных, что влияет на состав популяций почвенной биоты, режим разложения органического вещества, характер протекания химических реакций и условия произрастания культурных растений.

Функции, связанные с питанием растений.Велика и разнообразна роль органического вещества почвы в питании растений. В гумусе и растительных остатках содержатся практически все необходимые для питания растений и микроорганизмов макро- и микроэлементы.

Растительные остатки — это сравнительно легкодоступный, полноценный и хороню сбалансированный фонд минерального питания. В природных ценозах растительный опад представляет собой естественное удобрение, содержащее все необходимые вещества в легкоусвояемых растениями формах. Исследования А. Д. Фокина, проведенные в лесных ценозах, показали, что 80...90% всех зольных элементов поступает в растения из наземного опада. При этом фосфор усваивается не менее чем на 95%, а железо— на 70%. Аналогичная ситуация, по-видимому, складывается и в агроценозах. И хотя этот вопрос еще мало изучен, имеющиеся данные показывают, что сельскохозяйственные культуры могут использовать такие элементы, как фосфор, кальций и цинк, из растительных остатков не менее чем на 60 %, в то время как, например, фосфор минеральных удобрений — на 25.. .30 %.
Гумус следует рассматривать как запасной, сравнительно труднодоступный фонд элементов минерального питания. В зрелых, сформированных почвах естественных ценозов этот фонд медленно расходуется и постоянно пополняется. Во многих пахотных почвах равновесие сдвигается в сторону расхода.
В большинстве типов почв с органическим веществом связано около 98 % всех почвенных запасов азота, 30…70% фосфора, около 80% серы. Многие другие элементы — калий, кальций, магний, цинк и т. д. находятся в почве в сорбированном состоянии, при этом сорбционные свойства почвы во многом обусловлены органическим веществом.

Даже в дерново-подзолистых почвах, характеризующихся невысоким уровнем плодородия, существующих запасов азота может хватить на 30 лет. Еще выше уровень обеспеченности фосфором и тем более серой. Гораздо более высокие запасы азота, фосфора и серы сосредоточены в гумусе чернозема. Полная мобилизация элементов будет означать и полное разрушение гумуса, а, следовательно, и почвы.

Проблема заключается в том, чтобы определить то количество гумуса, которое может быть израсходовано на минерализационные процессы без ущерба для почвенного плодородия, т. е. определить критические уровни содержания гумуса в почвах.

Рассматривая органическое вещество почвы как источник элементов минерального питания для сельскохозяйственных культур, следует отметить его важную роль в снабжении растений азотом. Даже при высоких дозах минеральных удобрений на формирование урожая сельскохозяйственных культур идет 50.. .60 % почвенного азота, высвобождающегося преимущественно при минерализации органического вещества. При этом в почвенный раствор постоянно, на протяжении всего вегетационного периода, поступают восстановление формы азота NH₄⁺, наиболее энергетически выгодные для растений. Усваивая азот в такой форме) растения способны к более интенсивному биосинтезу белка, а следовательно, они быстрее наращивают биомассу и формируют высокий урожай. Нитратный азот, чаще всего поступающий из минеральных удобрений, в процессах белкового синтеза растений претерпевает более длительную трансформацию. Растения вынуждены затрачивать дополнительную энергию на восстановление NО₃^- до NH₄⁺
и быстрее достигают предела своих физиологических возможностей по редукции азота в белковые соединения, что приводит к накоплению минерального азота в растениеводческой продукции.

Эффективность использования минеральных удобрений также во многом обусловлена органическим веществом почвы. В частности гумусовые кислоты и другие органические соединения могут частично предотвращать переход фосфора удобрений в труднорастворимые формы за счет активного взаимодействия с катионами, ответственными за осаждение фосфатов (железо, алюминий, кальций и др.). На хорошо гумусированных почвах обнаруживается более длительное последействие минеральных удобрений по сравнению с почвами, обедненными органическим веществом. Кроме того, на почвах, богатых гумусом, значительно снижаются потери элементов минерального питания удобрений в результате миграционных процессов, что предотвращает загрязнение окружающей среды.
Органическое вещество играет большую роль в мобилизации биологически инертных форм многих биофильных элементов, переводя их в доступное для растений состояние.

Органическое вещество играет важную роль и в продуцировании диоксида углерода, образование которого связано с микробиологическим разложением органических компонентов почвы. Непрерывное поступление углекислоты из почвы в приземный слой воздуха сильно влияет на развитие растений и их фотосинтез, в процессе которого они усваивают огромное количество СО₂.От 40 до 70% всего диоксида углерода, пошедшего на создание урожая, поступает из почвы. И даже незначительное увеличение его в приземном слое воздуха увеличивает урожай да 30...100% и более.

Гумусовые вещества, особенно низкомолекулярные фракции, стимулируют жизнедеятельность почвенной микрофлоры, влияют на формирование микробных ценозов и их активность. В результате возрастает биологическая и ферментативная активность почвы, интенсивнее протекают многие процессы, связанные с накоплением питательных веществ в доступной для растений форме (например, аммонификация). Гумусовые вещества могут оказывать на растения и прямое стимулирующее действие, т. е. выступать по отношению к ним как физиологически активные вещества, что было установлено для многих сельскохозяйственных культур в лабораторных экспериментах.

Это послужило основанием использовать гумусовые вещества, преимущественно различные гуматы, в производственных условиях.

Под влиянием гуматов усиливается развитие корневой системы, а затем надземной массы растений. Корневая система становится длиннее и более разветвленной, в листьях увеличивается содержание хлорофилла, листовая пластинка становится больше. Под влиянием гуматов в растениях активизируется процесс обмена веществ, усиливаются дыхание, синтетические процессы и поступление минеральных элементов из внешней среды. В итоге ускоряются рост и развитие растений, увеличивается урожай и улучшается его качество.

Наибольший эффект от применения гумата натрия наблюдается на песчаных и малогумусных почвах. Следует подчеркнуть, что гуматы не являются непосредственным источником минеральных элементов питания и не заменяют их, но значительно повышают коэффициент их использования из минеральных удобрений.

Необходимо также отметить, что под влиянием гуматов увеличивается сопротивляемость растений неблагоприятным внешним условиям. Растения легче переносят засуху, повышенные температуры и т. п.

Санитарно-защитные функции.Эти функции органического вещества почвы исследованы менее детально, однако некоторые факты установлены достаточно точно. Вчастности, это относится к фунгистатичности почв. В почвах, богатых гумусом, преимущественно развивается сапрофитная микрофлора, повышающая их фунгистатичность — задержку прорастания грибов, обладающих фитопотагенными свойствами. В связи с этим окультуренные, хорошо гумусированные почвы характеризуются отчетливо выраженной фитосанитарной способностью, а при возделывании сельскохозяйственных культур в узкоспециализированных севооборотах они менее подвержены почвоутомлению.

Органическое вещество почвы — важный фактор детоксикации пестицидов. С одной стороны, благодаря сорбции пестицидов и переводу их в неактивное состояние, с другой — создавая благоприятные условия для развития микрофлоры, органическое вещество способствует микробиологическому разложению пестицидов. Различные компоненты органического вещества почвы принимают активное участие и в инактивации других загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов и радионуклидов. Допустимые уровни антропогенных нагрузок при поступлении в почву тяжелых металлов и других токсичных элементов, загрязняющих веществ органической природы (фенолов и др.), пестицидов на хорошо гумусированных почвах значительно выше, чем на почвах, бедных органическим веществом.

АГРОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОРГАНИЧЕСКОГО
ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ

Органическое вещество играет ведущую роль в формировании почвенного плодородия, создании благоприятных условий для роста и развития растений и жизнедеятельности микроорганизмов, снижении отрицательных последствий антропогенного воздействия на почву и повышении устойчивости земледелия при неблагоприятных климатических условиях.

С увеличением в почве содержания органического вещества возрастает устойчивость почвенного покрова и произрастающих на нем растений к воздействию негативных факторов (водной эрозии, дефляции, загрязнению, почвоутомлению и т. д.). Это особенно отчетливо проявляется в экстремальных ситуациях. Например, на почвах, богатых гумусом, растения легче переносят отрицательное влияние засухи или избыточного увлажнения по сравнению с почвами, бедными органическим веществом.
Существует довольно тесная корреляция между содержанием в почве гумуса и урожайностью сельскохозяйственных культур. Однако следует иметь в виду, что прямая, тесная связь между содержанием гумуса и урожайностью проявляется главным образом лишь при экстенсивном использовании пашни или умеренном применении удобрений, т. е. в том случае, когда гумус — единственный или основный источник элементов минерального питания растений.

Когда же питательный режим почвы, оптимизировав посредством внесения минеральных удобрений, связь между урожайностью культур и количеством гумуса может отсутствовать.

Играет ли состояние органического вещества почвы, и гумуса в том числе, значимую роль в почвенном плодородии при сбалансированном снабжении растений необходимыми элементами питания за счет удобрений? Если принять во внимание всю совокупность факторов, определяющих почвенное плодородие, то это, несомненно. Роль гумуса в этом случае проявляется не только в снабжении растений

элементами питания. Гумус регулирует биологическое состояние почвы, емкость катионного обмена и буферность, видно- физические свойства и характер почвенной структуры и др.

С помощью системы показателей гумусового состояния почвы можно охарактеризовать особенности ее органической части в генетическом аспекте, но определить агрономическую ценность почвы затруднительно. Поэтому все соединения почвы целесообразно разделить на две большие группы: группу консервативных, устойчивых веществ и группу лабильных, легкоразлагаемых веществ.

Группа консервативных органических веществ почвы включает гуминовые и гиматомелановые кислоты, их разнообразные органо-минеральные соединения и гумин, частично лигнин и его производные, некоторые полисахариды. Все эти компоненты органического вещества устойчивы к минерализации, существуют в почве сотни и тысячи лет и обусловливают их типовые признаки, формирующиеся в течение длительного времени и сохраняющиеся в вековых циклах. От содержания, состава и свойств этих соединений зависят окраска почв, тепловой режим, ёмкость поглощения, структура, запасы элементов питания. В питании растений консервативные вещества участвуют в малой степени, но создают для них благоприятную среду. Положительная агрономическая роль консервативных составляющих органического вещества наиболее наглядно проявляется в экстремальных ситуациях: в засушливые периоды, при переувлажнении и химическом загрязнении почв. Поэтому наиболее устойчивое земледелие отмечается на почвах с высоким содержанием гумуса.

Группа лабильных веществ включает неразложившиеся органические остатки, промежуточные продукты их разложения типа детрита, низко- и среднемолекулярных углеводов и пептидов, новообразованные гуминовые и фульвокислоты, гумусовые кислоты, непрочно связанные с минеральной частью почвы, и т. д. Эти компоненты органического вещества относительно легко минерализуются и служат непосредственным источником элементов питания, энергетического материала, физиологически активных веществ, участвуют в образовании агрономически ценной структуры почвы. Благодаря их быстрой минерализации усиливается поток СО₂, необходимого для фотосинтеза, в приземный слой атмосферы. Кроме того, лабильные вещества выполняют защитные функции по отношению к устойчивым компонентам органической части почв. Недостаток лабильных соединений и слишком быстрое их разложение сопровождается минерализацией консервативной части органического вещества, что приводит к дегумификации почвы и в конечном итоге к ее деградации.

При дефиците лабильных форм органического вещества наступает состояние так называемой выпаханности почв, т. е. происходит ухудшение их питательного режима и структурного состояния.