Гумусное состояние почв как фактор плодородия почвы

Введение

В понятие термина «гумус» входят химические, биологические, физические и экологические аспекты, отражающие его значение не только для отдельного растения, но и для формирования гумосферы, как элемента педосферы нашей планеты. B процессе эволюции биосферы Земли 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 [3].
Гумус является ценнейшим источником элементов питания растений, важнейшим фактором плодородия почв. Благодаря гумусовым веществам обеспечивается оструктуривание почвенной массы, создание благоприятного водно-воздушного режима. В течение длительного периода ведения земледелия на планете до начала ХХ-го века в связи с несовершенством методов его реализации не было отмечено явлений дегумификации. Но в процессе интенсификации обработки почв и началом производства и широкого внедрения минеральных удобрений в системы земледелия начала происходить дегумификация, то есть уменьшение содержания гумуса в пахотном горизонте. Например, во второй половине ХХ-века содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах при обработке без внесения органических удобрений снизилось за 40 лет примерно на одну треть [8].
Гумусовые вещества довольно быстро изменяются под влиянием окультуривания. Особенно показателен был процесс снижения содержания и запаса гумуса при введении в СССР целинных почв в культуру в 60-е годы ХХ-века, подробно освещеный в монографиях И.В.Тюрина, М.М.Кононовой. Проблема дегумификации продолжает оставаться в поле зрения исследователей и в настоящее время, т.к. почвенное плодородие, как интегральный показатель свойств почв, обусловлено гумусным состоянием почв. Эта проблема актуальна также в связи с усилением техногенной нагрузки на почвенный покров [5, 14].
Характерная особенность системы гумусовых веществ — ее гетерогенность, т. е. наличие в ней различных по стадии гумификации компонентов. Следствием гетерогенности являются варьирование ряда свойств и возможность расчленения системы на ряд фракций с относительно однородным типом строения, но различающихся между собой по химическому составу, размеру частиц, степени подвижности и роли в почвообразовании. Интенсивность процессов разложения гумуса зависит также от влажности и температуры почвы, характера ее минеральной части. С наибольшей скоростью минерализация идет при влажности и температуре, наиболее благоприятных для жизнедеятельности микроорганизмов. Избыточное увлажнение заметно снижает интенсивность разложения всех групп гумусовых веществ, так как при этом создаются неблагоприятные условия для развития аэробных микроорганизмов. В суглинистых и глинистых почвах по сравнению с песчаными минерализация гумусовых веществ резко снижается, так как значительная часть их очень прочно связана с минеральной частью почвы.В процессе разложения гумусовых веществ освобождаются значительные количества элементов питания растений. Особенно большое значение имеет минерализация органических форм азота, входящих в состав гумусовых веществ и переходящих в доступные для растений минеральные формы [4].
В условиях интенсификации современного земледелия во всех регионах России отмечен комплекс деградационных процессов почвы, главным образом, из-за нарушения биологического круговорота веществ. Мобилизация естественного потенциального плодородия почвы в агроэкосистемах для создания дополнительной сельскохозяйственной продукции приводит к негативному течению химических, физических и биологических процессов в почве, на основе которых происходит деградация почвенного покрова пахотных земель, что неминуемо приводит к снижению их плодородия.
Мобилизация естественного плодородия почв для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур не безгранична. Устойчивое высокопродуктивное земледелие возможно только в оптимальных условиях формирования урожая, что требует постоянного внимания к воспроизводству и сохранению плодородия почвы, главной задачей которых является стабилизация ее гумусного состояния. Полифункциональная роль органического вещества в улучшении свойств и плодородия почв хорошо известна. Изучены причины снижения содержания гумуса в почве, определены приемы воспроизводства гумуса в почве, без реализации которых нельзя добиться высокой продуктивности агроэкосистем [5].
Целью настоящего реферата является анализ современных представлений о гумусе, как ведущем факторе плодородия почв.
При подготовке реферата решали следующие задачи:
провести краткий исторический обзор представлений о гумусе,
дать характеристику разным аспектам значения гумуса, включая агрофизические, агрохимические и биологические факторы, влияющие на его формирование,
показать динамику изменения количества гумуса при интенсивном земледелии,
представить возможные пути решения вопроса о прекращении дегумификации и повышении уровня плодородия почв, предлагаемые современной аграрной наукой.

Раздел 1. Исторический аспект изучения вопроса формирования плодородной почвы
Почва является важнейшим компонентом биосферы, обеспечивая существование ее продуцентной части. Формирование почвенного покрова – миллионолетний процесс, происходивший на планете с момента образования первых жизненных автотрофных форм, сумевших начать освоение материнской породы суши Земли. Доказано, что на формирование 30 см плодородной почвы в природе уходит не менее 100000 лет. Мощность почвенного покрова, сформировавшегося за длительный период существования биосферы, в большинстве случаев не превышает 150 см. Первое научное определение почвы дал Василий Васильевич Докучаев. Он считал, что почвой следует называть наружные горизонты горных пород, естественно измененные совместным действием воды, воздуха и различного вида организмов живых и мертвых. Почву называют биокосным (эдафическим) экологическим фактором. Почва является сложной гетерогенной системой, состоящей из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. Эти фазы находятся в определенном динамическом равновесии.
Твердая фаза является комплексом первичных и вторичных минералов и органического вещества (гумуса). Каждый минерал – это природное неорганическое химическое соединение, а гумус – это сложное природное соединение. Чистой воды в почве нет, а в почвенном растворе находятся элементы питания растений в ионной форме, в том числе анионы неорганических и органических кислот. Почвенный воздух близок по составу к атмосферному по содержанию азота и кислорода, но отличается более высоким содержанием СО2, а также содержит сероводород, метан и некоторые другие газы. Живая фаза представлена корневыми системами растений, микроорганизмами, насекомыми и животными. В отличие от горных пород почва обладает таким комплексным свойством как плодородие, т.е. способностью обеспечивать растения питательными элементами, водой, частично воздухом и теплом в определенных экологических условиях [12, 13].
Почвоведение, как наука, формировалось в несколько периодов:
Период первичного накопления разрозненных фактов о свойствах почв, их плодородии и способах обработки. Это период неолита (около 10 тыс. лет до н.э.), когда зародилось земледелие и человек стал сопоставлять почвы по их способности давать урожай.
Второй период продолжался несколько тыс. лет до н.э., и в результате была сложена определенная система использования почв в богатом и орошаемом земледелии. Почвы начали разделять по качеству. В Древнем Египте был создан примитивный земельный кадастр для дифференцированного налогообложения на землю.
С Ⅷ века до н.э. по Ⅲ век н.э. начался период первичной систематизации знаний о почвах. В труде Колумеллы «О сельском хозяйстве» была дана первая классификация почв и были обобщены сведения о разнообразных свойствах почвы.
В средние века продолжался период интенсивных земельно-кадастровых работ эпохи феодализма, который был связан с описанием почв как земельных угодий для установления феодальных повинностей и привилегий.
С ХⅤ по ХⅨ века наступил период зарождения современных представлений о плодородии почв, их связи с горными породами. М.В. Ломоносов считал, что почвы – это продукт воздействия растений на горные породы. 1765 г. В Петербурге было создано Вольное экономическое общество, которое опубликовало статьи по улучшению почв. Особое внимание уделялось черноземам.
В ХⅨ веке наступил период создания современного генетического почвоведения. В 1851 году была составлена Почвенная карта европейской части России, под руководством К.С. Веселовского. В 1883 году В.В.Докучаев опубликовал «Русский чернозем» - выдающийся труд, в котором были сформулированы основные положения науки о почвах. Этот год считают годом выделения почвоведения в самостоятельную науку. В.В. Докучаев создал первую Почвенную карту мира. Его ученик Н.М. Сибирцев создал первый учебник по почвоведению. С 1899 года в Москве начал издаваться Отечественный журнал «Почвоведение», который выпускается до сих пор. В 1904 г. в Санкт-Петербурге по проекту В.В. Докучаева был организован Центральный музей почвоведения, который функционирует и сейчас. В этом музее представлены почвы всех стран мира. Распространение докучаевского учения в других странах привело к развитию международного сотрудничества в области почвоведения. Сформировалась Российская школа почвоведения. Огромный вклад в развитие почвоведения внесли также П.А. Костычев, изучавший биологические основы формирования плодородия почв, К.К. Гедройц, разработавший основы коллоидной химии почв, В.Р. Вильямс, создавший на основе трудов П.А. Костычева биологическое направление в почвоведении и разработавший травопольную систему земледелия.
В ХХ веке было продолжено изучение почвы и развитие таких отраслей агрономической науки, связанной с почвой, как агрохимия, микробиология почв, экология. Выдающиеся русские и иностранные ученые, такие как В.И. Вернадский, Д.Н. Прянишников, С.Н. Виноградский и другие, внесли огромный вклад в развитие почвоведения и аграрной науки.
Современный этап связан с направленным изучением процессов разрушения, деградации и загрязнения почв, а также с развитием таких технологий, которые будут направлены на восстановление плодородия почв и получение достаточного для резко увеличивающегося населения нашей планеты продовольствия, особенно продукции растениеводства, производство которой теснейшим образом связано с гумусным компонентом почвы [2, 12, 13].
Раздел 2. Факторы, определяющие плодородие почвы
Плодородие почвы определяется прежде всего количество органического вещества в ее составе, при этом особое значение имеет процент гумуса, образовавшегося из почвенной органики. Именно гумус дает основу для деления почв по плодородию. Органическое вещество почвы образуется из отмерших остатков растений, микроорганизмов, почвенных животных и продуктов их жизнедеятельности. Первичное органическое вещество, поступившее в почву, подвергается сложным превращениям, включающим процессы разложения, вторичного синтеза в форме микробной плазмы и гумификации. Сочетание названных процессов приводит в биологически активных почвах к образованию сложной смеси органических веществ, состоящей из малоразложившихся растительных и животных остатков с сохранившейся первоначальной структурой; промежуточных продуктов разложения органических и животных остатков (например, лигнина); собственно гумусовых веществ, образовавшихся путем микробного синтеза или остаточного происхождения; растворимых органических соединений, которые более или менее быстро минерализуются до простых минеральных соединений (Н2О, СО2 и др.) или участвуют в синтезе собственно гумусовых веществ [16].
Превращение первичного органического вещества в почве проходит в несколько этапов. На первом этапе происходит химическое взаимодействие между отдельными химическими веществами отмершего растения (например, ароматические соединения клеточных оболочек могут вступать в химические реакции с белками растительных клеток), которое можно значительно ускорить за счет биологических и минеральных катализаторов.
На втором этапе происходят механическая подготовка и перемешивание с почвой растительных остатков с помощью почвенной фауны. Нельзя отрицать и определенную биохимическую подготовку первичного органического вещества к микробному разложению при прохождении растительной массы через желудочно-кишечный тракт почвенных животных.
На третьем этапе превращения свежего органического вещества в почве происходит минерализация его с помощью микроорганизмов. В первую очередь минерализуются воднорастворимые органические соединения, а также крахмал, пектин и белковые вещества. Значительно медленнее минерализуется целлюлоза, при разложении которой освобождается лигнин — соединение, весьма устойчивое к микробиологическому расщеплению. Конечными продуктами превращений первичного органического вещества являются минеральные продукты (СО2, Н2О, нитраты, фосфаты, в анаэробных условиях Н2O и СН4 ). Кроме того, в почве накапливаются в качестве продуктов метаболизма микроорганизмов низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная, уксусная, щавелевая и др.). Процессы минерализации органического вещества в почве имеют экзотермический характер [16].
Часть продуктов биологического разложения первичного органического вещества превращается в особую группу высокомолекулярных соединений — специфические, собственно гумусовые вещества, а сам процесс называют гумификацией. Основная часть органического вещества почвы (85-90%) представлена специфическими высокомолекулярными гумусовыми соединениями. Принято подразделять специфические гумусовые вещества на три основные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.
Гуминовые кислоты (ГК) — фракция темно-окрашенных, высокомолекулярных соединений, извлекаемая из почвы щелочными растворами, при подкислении вытяжки выпадает в осадок в виде гуматов. В составе гуминовых кислот углерода — 52 — 62 %, водорода — 3,0—5,5, кислорода — 30—33, азота — 3- 5 %. Основу молекулы ГК образует ароматическое ядро, сформированное ароматическими и гетероциклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина, антрацена, индола, хинолина. Ароматические кольца соединены между собой в рыхлую сетку. Боковые периферические структуры молекулы — алифатические цепи. Ядро молекулы ГК отличается гидрофобными свойствами, боковые цепи — гидрофильными. Конституционная часть молекулы ГК — функциональные группы: карбоксильные и фенолгидроксильные, определяющие кислотный характер ГК и способность к катионному обмену [16].
Фульвокислоты (ФК) — органические оксикарбоновые азотсодержащие кислоты. По В. В. Пономаревой, в составе ФК углерода — 45,3 %, водорода — 5, кислорода — 47,3, азота — 2,4 %. При сравнении с элементным составом ГК, фульвокислоты содержат меньше углерода и азота, а кислорода больше. Фульвокислоты следует рассматривать как химически наименее «зрелые» гуминовые соединения. Между ГК и ФК существует тесная связь. Как те, так и другие очень неоднородны и представлены многочисленными фракциями.
Гумины — наиболее инертная часть почвенного гумуса, не извлекаемая из почвы при обычной обработке ее щелочными растворами. По своему составу гумины близки к ГК. Вместе с тем фракция гуминовых веществ более прочно связана с минеральной частью почвы, что значительно меняет ее свойства. Исключительно важная роль органического вещества в формировании почвы в значительной степени основана на их способности взаимодействовать с минеральной частью почвы. Образующиеся при этом органоминеральные соединения — обязательный комплекс любой почвы. Образованию органоминеральных соединений в почве способствует высокая биологическая активность, обеспечивающая поступление в систему реакционноспособных органических веществ. Внесение в почву биологически малодоступных органических веществ, например, торфа, не приводит к образованию органоминеральных соединений [16].
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. Главную структурообразующую роль выполняют гуматы кальция и железа. Это очень водоустойчивые структурообразователи с высокими клеящими свойствами [3].


2.1. Агрофизические факторы
Развитая почва представляет собой смесь механических элементов трех видов: минеральные, органические и органоминеральные частицы. В минеральных почвах превалируют минеральные механические частицы разной формы и размера, разного химического и минералогического состава. Дисперсность этого материала, химический и минералогический состав — фундаментальные свойства любой почвы, оказывающие многообразное воздействие на комплекс агрономических показателей почвы, ее плодородие. Относительное содержание в почве и породе механических элементов (фракций) называется гранулометрическим составом. Механические частицы почвы больше 1 мм в диаметре называют скелетом почвы, частицы меньше 1 мм — мелкоземом. Мелкозем подразделяют на физический песок (частицы больше 0,01 мм) и физическую глину (частицы меньше 0,01 мм).
Гранулометрический состав почвы прежде всего определяет поглотительные (сорбционные) свойства почвы. Тонкодисперсные частицы в силу большой абсолютной и удельной поверхности обладают высокой емкостью поглощения. С измельчением частиц возрастают их гигроскопичность, влагоемкость, пластичность и другие технологические свойства. Частицы менее 0,001 мм обладают четко выраженной коагуляционной способностью. Эта способность механических тонкодисперсных частиц исключительно важна при структурообразовании. Они вследствие высокой поглотительной способности содержат наибольшее количество гумуса [3, 12, 13].
Плотность почвы уменьшается по мере увеличения в ее составе мелкозема. Валовой химический состав разных механических фракций почвы закономерно изменяется независимо от почвенного типа. Так, по мере увеличения дисперсности частиц в них резко уменьшается содержание кислорода и возрастает количество железа, алюминия, кальция, магния, калия и натрия. Частицы меньше 0,001 мм — наиболее ценная часть рыхлых пород и почв, поскольку в них содержатся основные запасы зольных питательных элементов. Пластичность почвы зависят от содержания в почве физической глины. Аналогично гранулометрический состав влияет и на твердость почвы. Высокая твердость почвы препятствует росту проростков и корней растений, а нередко является и причиной гибели растений. Твердые почвы оказывают большое сопротивление рабочим органам почвообрабатывающих машин.
Набухаемость почвы происходит за счет оболочек связанной воды, которые формируются вокруг коллоидных и глинистых частиц. Эти оболочки уменьшают силы сцепления между частицами, раздвигают их и способствуют увеличению объема почвы.
В основном величина и характер набухания почвы зависят от минералогического состава почвы, в частности от содержания вторичных минералов типа монтмориллонита, имеющих подвижную кристаллическую решетку. Среди технологических свойств почв важную роль в создании физической спелости почвы имеет липкость: при излишней липкости увеличивается тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий и резко ухудшается качество обработки почвы. Гранулометрический состав как фактор плодородия пахотных почв находит отражение в системах бонитировки почв. В большинстве случаев наиболее благоприятное сочетание агрофизических, биологических и агрохимических факторов плодородия отмечается в почвах среднего гранулометрического состава. Необходимо иметь в виду, что для разных почвенных типов, сильно различающихся по всему диапазону факторов плодородия, оценка гранулометрического состава как фактора плодородия может значительно различаться. Например, наиболее высокое плодородие черноземов соответствует, как правило, тяжелому гранулометрическому составу. Для дерново-подзолистых почв, сформировавшихся в зоне достаточного и избыточного увлажнения, наиболее благоприятен более легкий гранулометрический состав [3, 12, 13].
Структура почвы — важный показатель физического состояния плодородной почвы. Она определяет благоприятное строение пахотного слоя почвы, ее водные, физико-механические и технологические свойства и водно-гидрологические константы. Частицы твердой фазы почвы, как правило, склеиваются в комочки (агрегаты). Способность почвы распадаться на агрегаты различной величины называют структурностью. В почвоведении структура почвы — важный морфологический признак: по размеру агрегатов судят о генетических особенностях как всей почвы, так и ее отдельных горизонтов. По классификации С. А. Захарова, различают следующие типы структуры: глыбистую, комковатую, ореховатую, зернистую, столбчатую, призматическую, плитчатую, пластинчатую, листоватую, чешуйчатую [2, 3, 12].
Черноземы, например, в естественном состоянии характеризуются отчетливо выраженной зернистой структурой, серые лесные почвы — ореховатой. Хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы приобретают комковатую структуру, тогда как неокультуренные подзолы отличаются плитчатой и листоватой. Образование структурных агрегатов в почве, по Н. А. Качинскому, происходит вследствие следующих процессов: взаимного осаждения (коагуляции) коллоидов, коагуляции коллоидов под влиянием электролитов. Эти процессы, однако, проявляются на фоне более общих физико-механических, физико-химических и биологических факторов структурообразования. Структурное состояние — наиболее достоверный, интегральный показатель плодородия почвы (его агрофизических факторов) [2, 3, 12].
Влага в почве необходима для прорастания семян, без нее невозможны последующий рост и развитие растения. С водой в растение из почвы поступают питательные вещества, испарение воды листьями обеспечивает нормальные температурные условия жизнедеятельности растения. Вода — обязательное условие почвообразования и формирования почвенного плодородия. Без нее невозможно развитие почвенной фауны и микрофлоры. Процессы превращения, трансформации и миграции веществ в почве также требуют большого количества воды. Степень доступности почвенной влаги растениям и состояние водного режима, выражают почвенно-гидролитические константами. Различают следующие почвенно-гидрологические константы:
Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) — влажность почвы, соответствующая наибольшему содержанию недоступной растениям прочносвязанной влаги.
Максимальная гигроскопичность (МГ) — влажность почвы, соответствующая количеству воды, которое почва может сорбировать из воздуха, полностью насыщенного водяным паром. Влага, соответствующая МГ, полностью недоступна растениям

.
Влажность устойчивого завядания растений (ВЗ), соответствующая содержанию в почве воды, при котором растения обнаруживают признаки завядания, не проходящие при помещении растений в насыщенную водяным паром атмосферу. Влажность завядания соответствует влажности почвы, когда влага из недоступного для растений состояния переходит в доступное (нижний предел доступности почвенной влаги).
Наименьшая (полевая) влагоемкость почвы (НВ) — соответствует капиллярно-подвешенному насыщению почвы водой, когда последняя максимально доступна растениям.
Полная влагоемкость (ПВ) — соответствует такому содержанию влаги в почве, когда все ее поры насыщены водой [3, 12, 13].
Почвенный воздух отличается от атмосферного тем, что в его составе значительно больше углекислого газа и меньше кислорода. Вместе с тем следует подчеркнуть большие колебания в составе почвенного воздуха в зависимости от почвы, типа культуры, системы удобрений и обработки почвы. Когда в почве содержание углекислого газа выше 3-5%, а кислорода — ниже 10 %, то наступает угнетение растений. А. Г. Дояренко [3], установил, что недостаток воздуха в почве очень сильно лимитирует ее плодородие. Почвенный воздух заполняет поры, не занятые водой. Избыточная влажность приводит к резкой его недостаточности. Почвенный воздух необходим для дыхания корней растений, почвенных организмов, биохимических процессов превращения питательных элементов.
Почва — важный источник углекислого газа, который потребляется растениями в процессе фотосинтеза. Газообмен между почвой и атмосферой осуществляется посредством таких факторов, как диффузия, изменения барометрического давления, температуры почвы и воздуха, поступления в почву воды, а также при помощи ветра. Увеличивая объем при нагревании почвы, воздух ее частично выходит наружу, при охлаждении почвы почвенные поры получают новую порцию воздуха из атмосферы. Оптимальное содержание воздуха в пахотной почве для отдельных культур следующее: для зерновых— 15— 20 % общей пористости, пропашных — 20—30, многолетних трав— 17—21 %. Важный прием регулирования воздушного режима почвы — механическая обработка, позволяющая создавать необходимое строение пахотного слоя и тем самым обеспечивать условия нормального газообмена в почве. Значение обработки в регулировании воздушного режима почвы возрастает при избыточном увлажнении почв и их тяжелом гранулометрическом составе [3, 12].
Физиологические процессы, происходящие в растении, жизнедеятельность микроорганизмов и почвенной фауны, химические процессы превращения веществ и энергии возможны только в определенных температурных границах. Воздействие температуры почвы на растения начинается с самых первых стадий его роста и развития. Причем отдельные растения предъявляют различные требования к температурному режиму почвы. Наряду с крайними границами температур, характеризующими температурные минимум и максимум для отдельных видов растений, существует свой определенный оптимум. Требования к температурным условиям определенных растений изменяются по мере их роста и развития.
Основной источник тепла в почве — солнечная энергия. Другой, но менее значительный — тепло, выделяемое в почву в результате биологических и химических превращений, а также поступающее из глубинных слоев земли. Поступление, аккумуляция и передача тепловой энергии в почве осуществляют через ее тепловые свойства: теплопоглотительную способность, теплопроводность. Теплопоглотительная способность почвы характеризуется величиной альбедо (А) — долей отражаемой почвой солнечной радиации.
Альбедо — важная характеристика температурного режима почвы, зависит от цвета почвы, ее структуры и выровненности, а также влажности. Растительность, покрывающая почву, значительно изменяет альбедо [3, 11, 12].
На лучепоглотительную и лучеотражательную способность почвы большое влияние оказывает степень ее гумусированности. Теплопроводность почвы — количество тепла, протекающее через слой почвы площадью 1 см 2 и толщиной 1 см в перпендикулярном к ней направлении при разнице на обоих сторонах слоя в 1 °С. Теплопроводность, как и теплоемкость, зависит от гранулометрического и химического составов почвы, ее влажности. Сухие, хорошо гумусированные почвы плохо проводят тепло, сырые, тяжелые почвы отличаются повышенной теплопроводностью. Расход тепла почвой происходит по следующим статьям: лучеиспускание тепла в атмосферу, передача тепла прилегающему слою воздуха (конвекция), потери на испарение воды (48%). Меры по улучшению теплового режима почв в общем совпадают с мерами регулирования водного режима, а также особое значение приобретает снегозадержание и в целом агролесомелиоративная организация территории, дождевания и мульчирования поверхности почвы [11, 16].
В таблице 1 охарактеризованы основные показатели гумусового состояния почв.
Гумусовые вещества оптимизируют для растений многие физические характеристики почвы. Чем выше содержание в почвах органических веществ, тем шире диапазон физической спелости, т. е. почвы могут обрабатываться в более широком интервале влажности. Многогумусные почвы легко обрабатываются, менее податливы к уплотнению. Высокая плотность почв (слитость) и высокая гумусность - понятия несовместимые.
Таблица 1. Показатели гумусового состояния почв [11].
Показатель Уровень Пределы величин
Содержание гумуса, % очень высокое более 10

высокое 6 – 10

среднее 4 – 6

низкое 2 – 4

очень низкое менее 2
Запасы гумуса в слое о-100 см, т/га очень высокое более 600

высокое 400 – 600

среднее 200 – 400

низкое 100 – 200

очень низкое менее 100
Обогащенность азотом, С:N очень высокое более 5

высокое 5 – 8

среднее 8 – 11

низкое 11 – 14

очень низкое менее 14
Тип гумуса Сгк : Сфк
фульватный
менее 0,5

гуматно-фульватный
0,5 – 1

фульватно-гуматный
1 – 2

гуматный
более 2
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 [3].
2.2. Агрохимические факторы
Растения усваивают азот и зольные элементы из почвы в форме минеральных солей, растворенных в почвенном растворе. При этом используются как восстановленные (соли аммония), так и окисленные (соли азотной кислоты) соединения азота. Растения могут усваивать некоторые относительно простые органические азот- и фосфорсодержащие вещества (некоторые аминокислоты, фитин), однако практическое их значение в питании ничтожно. Источником энергии в растении для поглощения элементов питания является дыхание. Более молодые, интенсивно дышащие корни больше усваивают из почвенного раствора минеральных солей. Процессы корневого питания растений тесно связаны с такими свойствами почвы, как рН почвенного раствора, водно-воздушный режим почвы, содержание в ней усвояемых элементов питания, и другими условиями внешней среды. Кислотность почвы снижает поглощение питательных веществ растениями. Отмечают как прямое, так и косвенное действие повышенного содержания в почве ионов Н +. Прежде всего изменяется физико-химическое состояние цитоплазмы клеток корня, нарушается ее проницаемость, наружные клетки ослизняются, корни плохо растут [11, 16].
Большинство возделываемых культур и почвенных микроорганизмов лучше развивается при слабокислой или нейтральной реакции почвы. Однако отдельные виды культурных растений значительно различаются по требовательности как к наиболее оптимальному для их роста интервалу рН, так и к смещению его в ту или другую сторону. Недостаток в почве обменных кальция и магния вызывает резкое ухудшение физических и физико-химических свойств почвы (структура почвы, емкость поглощения, буферность). В почвенном растворе появляются свободные ионы алюминия и марганца, токсичные для растений. Подвижность же ряда микроэлементов (например, молибдена) уменьшается, растения испытывают в них недостаток. Повышенная кислотность угнетает почвенные организмы, прежде всего нитрификаторы и азотфиксирующие бактерии (клубеньковые и свободно живущие), почвенную фауну (дождевые черви, клещи, ногохвостки). В целом биологическая активность кислой почвы несравненно ниже, чем нейтральной. Чтобы привести реакцию почвы к интервалу слабокислая — слабощелочная, применяют химическую мелиорацию почв. Кислые почвы периодически известкуют, а щелочные, прежде всего солонцы, гипсуют. Для повышения содержания в почве, таких жизненно важных элементов как калий, азот и фосфор, вносят минеральные удобрения. Эффективность удобрений зависит от почвенно-климатических условий. Уровень плодородия почвы, состояние питательного режима, трансформационные ее возможности в отношении доступности вносимых удобрений для возделываемых растений — все это оказывает влияние на выбор видов удобрений [11, 16].
2.3. Биологические факторы
Живые организмы — обязательный компонент почвы. Количество их в хорошо окультуренной почве может достигать нескольких миллиардов в 1 г почвы, а общая масса — до 10 т/га. Основная их часть — микроорганизмы. Доминирующее значение принадлежит растительным микроорганизмам (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты). Животные организмы представлены простейшими (жгутиковые, корненожки, инфузории), а также червями. Довольно широко распространены в почве моллюски и членистоногие (паукообразные, насекомые). На протяжении многих миллионов лет дождевые черви участвуют в создании плодородного слоя почвы. В процессе своей жизнедеятельности, разлагая органические отходы, они обогащают почву гумусом [1].
Почвенные организмы разрушают отмершие остатки растений и животных, поступающие в почву. Одна часть органического вещества минерализуется полностью, а продукты минерализации усваиваются растениями, другая же переходит в форму гумусовых веществ и живых тел почвенных организмов. Некоторые микроорганизмы (клубеньковые и свободноживущие азотфиксирующие бактерии) усваивают азот атмосферы и обогащают им почву. Почвенные организмы (особенно фауна) способствуют перемещению веществ по профилю почвы, тщательному перемешиванию органической и минеральной части почвы.
Важнейшая функция почвенных организмов — создание прочной комковатой структуры почвы пахотного слоя. Последнее в решающей степени определяет водно-воздушный режим почвы, создает условия высокого плодородия почвы. Наконец, почвенные организмы выделяют в процессе жизнедеятельности различные физиологически активные соединения, способствуют переводу одних элементов в подвижную форму и, наоборот, закреплению других в недоступную для растений форму. В обрабатываемой почве функции почвенных организмов сводятся к поддержанию оптимального питательного режима (частичное закрепление минеральных удобрений с последующим освобождением по мере роста и развития растений), оструктуриванию почвы, устранению неблагоприятных экологических условий в почве [16].
В интенсивном земледелии экологические условия могут иногда в решающей степени определять эффективное плодородие почвы. В ней существуют тесные многообразные связи между всеми почвенными организмами. Причем вся эта система находится в состоянии непрерывно изменяющегося равновесия. Одни группы микроорганизмов предъявляют простые требования к пище, другие — сложные. Между одними группами существуют симбиотические (взаимно полезные) связи, между другими — антибиотические. Микроорганизмы в последнем случае выделяют в почву вещества, подавляющие развитие других микроорганизмов.
Практическое значение имеет способность некоторых микроорганизмов оказывать губительное действие на представителей фитопатогенной микрофлоры. Усилить активность желательных микроорганизмов можно путем внесения в почву органического вещества. В этом случае отмечается вспышка в развитии почвенных сапрофитов, которые, в свою очередь, стимулируют развитие микроорганизмов, угнетающих фитопатогенные виды. Для нормального функционирования почвенных организмов необходимы прежде всего энергия и питательные вещества. Для подавляющего большинства микроорганизмов такой источник энергии — органическое вещество почвы. Поэтому активность почвенной микрофлоры главным образом зависит от поступления или наличия в почве органического вещества.
Для оценки деятельности почвенной биоты используют показатель «биологическая активность почвы». Под биологической активностью понимают, в одних случаях общую биогенность почвы, определяемую, как правило, подсчетом общего количества почвенных микроорганизмов. Если иметь в виду несовершенство методик, применяемых в этом случае, и малую кратность определений во времени, то результаты анализа дают примерную картину биологической активности почвы. Наиболее универсальный показатель деятельности почвенных организмов — продуцирование ими углекислого газа. Поэтому учет выделяемого почвой углекислого газа — первостепенный из других биохимических способов определения биологической активности почвы [16].
Плодородие почвы в значительной степени определяется фитосанитарным состоянием почвы, т. е. чистотой почвы от сорняков, вредителей, болезнетворных начал, а также токсических веществ, выделяемых растениями, ризосферной микрофлорой и продуктами разложения. Фитотоксичность почвы обусловлена накоплением физиологически активных веществ, среди которых присутствуют фенольные соединения, органические кислоты, альдегиды, спирты и др. совокупность этих веществ получила название колинов, состав и концентрация которых зависят от температуры и влажности почвы, от микроорганизмов и растений. При низких концентрациях фитотоксических веществ в почве обнаруживается стимулирующий эффект, но при увеличении их содержания наступает сильное угнетение роста растений или прорастания семян. Так, в стационарных опытах ТСХА установлено, что водная вытяжка из почвы бессменных посевов озимой пшеницы и ячменя, взятая в начале весенней вегетации, снижала всхожесть семян этих культур более, чем на 20 % и угнетала рост корневой системы, явилась одной из причин изреженности бессменных посевов.
Источник образования и поступления токсических веществ в почве — корневые выделения растений, послеуборочные растительные остатки и продукты метаболизма микроорганизмов. Наиболее интенсивно фитотоксические вещества накапливаются при возделывании на одном месте однородных или близких по биологии культур и при создании в почве анаэробных условий. Когда в структуре посевных площадей преобладают культуры со сходными биологическими особенностями, как, например, зерновые, в почву ежегодно поступает приблизительно одинаковая по количеству и качеству органическая масса в виде корневых выделений и растительных остатков. Это приводит к изменению соотношения основных группировок микробиоценоза, появлению фитотоксических форм, которые поставляют в почву вредные для культурных растений вещества. Так, при разложении растительных остатков зерновых культур в почве обнаружено повышенное содержание фенольных соединений, которые, находясь в зоне семян растений, ингибируют их прорастание. Анаэробные условия способствуют образованию токсических веществ, так как при этом корневые выделения и промежуточные продукты минерализации гумуса превращаются в сильно восстановленные соединения, что обусловливает создание очагов токсичности в почве. Можно полагать также, что в зоне корня некоторых растений избирательно накапливаются некоторые группы микроорганизмов, неблагоприятно действующих на растения [16].
Внесение минеральных и особенно органических удобрений приводит к уменьшению в почве численности фитотоксичных микроорганизмов. Но особенно сильное влияние на их содержание оказывает бессменное выращивание сельскохозяйственных растений — количество фитотоксичных форм микроорганизмов в почве значительно увеличивается. Корни растений выделяют различные аминокислоты, углеводы и другие вещества. Вместе с экссудатами в почву поступает большинство веществ, участвующих в метаболизме клеток высших растений: сахара, гликозиды, органические кислоты, витамины, ферменты, алкалоиды и другие. Все эти вещества могут быть в той или иной мере использованы микроорганизмами в качестве источника питания [16].
У растений, в том числе культурных, нет единообразия требований к содержанию гумуса в почвах. Экологический оптимум содержания гумуса в почвах для разных растений существенно варьирует, что показано в таблице 2.
Таблица 2. Классификация сельскохозяйственных растений по отношению к содержанию органического вещества в почвах [3]
Очень требовательные Требовательные Умеренно требователь ные
Малотребовательные Безразличные Богатство гумусом снижает качество продукции
1 2 3 4 5 6
Зерновые культуры
- Пшеница, ячмень, кукуруза Овес, просо, рис Рожь, сорго Гречиха Гречиха
Зерновые бобовые культуры
- Горох, подсолнечник, клещевина, арахис Фасоль, арахис Соя,нут
- -
Сахароносные и крахмалоносные культуры

- Сахарная свекла, картофель Картофель Сахарный тростник, батат, ямс - -
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6
Прядильные культуры
Конопля - Лен Хлопчатник, лен Хлопчатник -
Бахчевые культуры
- - Дыня, тыква Дыня,тыква
Арбуз -
Табак, махорка
- Махорка Махорка - - Табак
Кормовые культуры
- - Вика, костер безостый, суданская трава Лядвенец рогатый, вика, овсяница луговая, суданская трава, люцерна, клевер, эспарцет, донник Лядвенец рогатый, тимофеевка луговая, овсяница луговая, житняк, ежа сборная, люцерна, клевер, эспарцет, донник -
Орехоплодные культуры
- - Грецкий орех Грецкий орех, фундук Фундук -
Виноград, чай, субтропические плодовые
- - Апельсин, мандарин, инжир, хурма Виноград, чай, апельсин, мандарин, гранат - Виноград,
чай
Овощные культуры
Томат,
огурец,
морковь Томат, огурец, морковь, салат, свекла, пастернак, петрушка - - - -
Плодовые культуры
- - Яблоня, груша, черешня, слива, вишня, абрикос, айва Абрикос,
айва - -
В литературе вопрос о важнейшей роли гумуса, как детерминатора плодородия, является дискуссионным. Так, несмотря на то, что для обширных площадей степной зоны России и сопредельных государств давно установлена общая зависимость возрастания плодородия почв с увеличением мощности гумусовой толщи и запасов гумуса, 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 [3].
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. 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 [3].
Растительные остатки, образующиеся после возделывания сельскохозяйственных культур, удобряют почву ежегодно после уборки урожая, в то время как все остальные виды органических удобрений вносят в почву периодически. На их внесение не требуется дополнительных затрат. Распределение растительных остатков в почве осуществляется равномерно, что имеет существенное значение при образовании гумуса по всей толщине и площади почвенного слоя. В них содержатся все макро- и микроэлементы, необходимые растениям и животным. На пахотных почвах, где в результате интенсивного земледелия отчуждается большая часть биологического урожая сельскохозяйственных культур, основным источником органических веществ служат надземные и корневые остатки растений, а также вносимые в почву органические удобрения. Растительные остатки разделяют на три группы: 1 — пожнивные остатки растений; 2 — листостебельные; 3 — корневые. Пожнивные остатки представлены стерней злаков, частями стеблей, листьев и всех других надземных частей растений, которые остаются в поле после уборки урожая. Листостебельные части растений включают корневища, столоны картофеля, корневые шейки клевера, люцерны и других трав, остатки клубней, корнеплодов, луковиц. Корневые остатки растений представлены корнями выращиваемой культуры, сохранившимися живыми к моменту уборки, а также корнями, отмершими к моменту уборки [16].
Размеры корнепада, по данным Т. И. Макаровой, могут достигать у озимой пшеницы 124-480 кг/га, у овса — 330- 620 кг/га сухого вещества. Запасы гумуса за счет корнепада и корневых выделений могут пополниться на 130-230 кг/га. Корни растения еще при их жизни активно участвуют в почвенных процессах. Разветвляясь, они контактируют с почвенными частицами и тем самым способствуют равномерному распределению органического вещества и образованию структурных агрегатов. В почве при выращивании растений происходят одновременно два противоположных процесса: синтез, накопление органического вещества, и его разрушение. Интенсивностью обоих процессов, их соотношением определяются конечные результаты, по которым оценивают влияние данной культуры на почву. Если конечный результат положительный, за культурой признаются свойства улучшать плодородие почвы и наоборот. Между тем на процесс разрушения органического вещества влияют не столько сами культуры, сколько приемы их возделывания.
О влиянии минеральных удобрений на развитие корневой системы существуют различные мнения. Н. А. Качинский высказал предположение, что «чем благоприятнее для растений почва, тем относительно к надземным частям слабее развита его корневая система» [16].
Наряду с количеством растительных остатков важное значение имеет их химический состав и скорость разложения в почве. Так, растительные остатки многолетних трав содержат большое количество элементов питания. Содержание азота в корневых остатках многолетних бобовых трав колеблется в пределах 2,25-2,60 %, фосфора — 0,34-0,80 %, в поукосных остатках — соответственно 1,82-2,65 и 0,30-0,71 %. Количество азота и фосфора в корнях бобово-злаковых травосмесей зависит от доли каждого компонента и составляет 0,91-2,37 % азота и 0,25- 1,06% фосфора, в поукосных остатках — соответственно 1,60-2,18 и 0,17-0,54 %