Для будь-якого фермерського господарства велике значення має підвищення ефективності родючості ґрунту. В ґрунтах зосереджена величезна кількість поживних речовин - у перегної (гумусі), органічних залишках рослинного походження та у мінеральних сполуках. Приблизні запаси гумусу, азоту та фосфорної кислоти для різних ґрунтів становлять такі величини (табл. 1).
| Ґрунти | Шар 0-20 см | Шар 0-100 см | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Гумус | N | Р₂О₅ | Гумус | N | Р₂О₅ | |
| Потужні чорноземи | 160 | 11.0 | 2.7 | 700 | 36.0 | 11.9 |
| Звичайні чорноземи | 140 | 7.0 | 2.4 | 500 | 25.0 | 8.5 |
| Підзоли | 50 | 3.2 | 0.8 | 100 | 6.6 | 1.7 |
| Сероземи | 40 | 3.7 | 0.7 | 80 | 7.5 | 1.4 |
Азот у ґрунті в основному зосереджений у перегної, становлячи в середньому 5-6%; невелика частина його міститься у формі мінеральних сполук. Значна частина фосфору міститься також у органічних сполуках. У підзолах, наприклад, фосфор органічної частини становить 20-25% від його загальної кількості, а у чорноземах - близько 50%. Калій у ґрунтах перебуває переважно у мінеральній формі. Валовий вміст калію у перерахунку на К₂О сягає 60-80 т на гектар.
Якщо врахувати, що для врожаю зерна пшениці 40 ц/га використовується 80-120 кг азоту, 40-50 кг фосфору та 56-60 кг калію, то запаси їх у 20-сантиметровому шарі чорноземів забезпечують отримання такого врожаю зерна протягом 80-120 років, а запаси підзолів та сероземів - протягом 30-50 років. Метровий шар підзолів та сероземів може забезпечити високий урожай сільськогосподарських культур азотом протягом 130-150 років, такий же шар чорноземів - 500-700, а осушених земель - до 2500-2800 років. Ще на більше років у мінеральному ґрунті є запасів фосфору та калію.
Невелика кількість азоту, фосфору, калію та інших елементів живлення у ґрунті міститься у рослинних залишках (коріння, пожнивні залишки). Найбільша кількість цих залишків (до 250 т/га) є у цілинних ґрунтах. Хоча кількість поживних речовин у рослинних залишках відносно невелика, цінним є те, що ці речовини швидко трансформуються у доступні для рослин сполуки.
Активізація перетворення перегною та рослинних залишків правильною обробкою ґрунту та агротехнікою є найважливішим чинником підвищення врожаю в країні. Однак основним засобом збільшення валових зборів сільськогосподарської продукції, особливо в районах поширення підзолистих та опідзолених різновидів ґрунтів, є органічні добрива - гній, торф та різні компости. Застосування їх нерідко подвоює та навіть потроює врожай сільськогосподарських культур.
Склад та вміст органічної речовини у ґрунті
Відомо, що джерелами органічної речовини у ґрунтах є рослинні залишки та мікроорганізми, а також гній та компости. Ці матеріали, з яких згодом утворюється ґрунтовий перегній, за своєю хімічною природою складаються з вуглеводів та близьких до них речовин (моносахариди, ди- та трисахариди, полісахариди), лігніну, азотних сполук (білкові речовини, амінокислоти, аміди, алкалоїди, хлорофіл, глікозиди), жирів та близьких до них речовин (пальметинова, стеаринова, олеїнова, лінолева та ліноленова кислоти, лецитини, фітостерини, віск), смол та терпенів, суберину, кутину та спорополленінів, а також зольних речовин рослин.
Рослинні залишки у ґрунті, зазнаючи різноманітних процесів перетворення, руйнуються з утворенням простих сполук (Н₂О, СО₂, NH₃, HNO₃ та ін.) або переходять у більш інертні форми органічної речовини.
Початок глибшого вивчення складу та природи гумусу було покладено Шпренгелем у 1826 році, який своїми дослідженнями гумусу досяг значних успіхів. Подальше вивчення складу та природи гумусу ґрунту пов'язане з іменами Берцеліуса, Мульдера, Германа, Шрейнера, Шорі, Трусова, Свен-Одена, Шмука, Вільямса, Ваксмана, Тюріна, Кононової та багатьох інших.
Перегнійні речовини ґрунту належать до своєрідних високомолекулярних органічних сполук, що мають дуже складний хімічний склад, який досі точно ще не розшифрований; їх утворюють ґрунтові бактерії та гриби.
Залежно від біологічного типу синтезу та руйнування органічної речовини ґрунту В. Р. Вільямс розрізняє три групи перегнійних органічних кислот:
- Гуминові (група перегнійних кислот чорного кольору) - утворюються аеробними бактеріями.
- Ульмінові (перегнійні кислоти бурого кольору) - утворюються анаеробними бактеріями.
- Кренові, або фульвокислоти (група безбарвних перегнійних кислот) - синтезуються грибами, властивими лісовим насадженням, причому такі кислоти за певних умов переходять у апокренові.
Процес утворення ґрунтового перегною включає розклад рослинних залишків та інших форм мертвої органічної речовини до більш простих окиснених або відновлених сполук; з іншого боку, він протікає як синтез дуже складної природи перегнійних кислот. Процеси утворення перегною - розклад та синтез - є результатом ферментативної діяльності ґрунтових мікроорганізмів.
Вчені-фахівці в даній галузі стверджують, що ґрунтовий гумус являє собою дуже складний і динамічний за своєю природою комплекс численних і дуже різноманітних за своєю хімічною природою сполук. У цьому комплексі розрізняють чотири групи речовин: органічні речовини нерозкладених залишків рослин і тварин, органічні речовини живих і нерозкладених мертвих мікроорганізмів, проміжні продукти розпаду складних органічних сполук, гумінові речовини та бітуми як продукт своєрідних процесів фізико-хімічного та позаклітинного ензиматичного синтезу.
Гумінові речовини
До цієї групи належать характерні для ґрунтового гумусу розчинні та нерозчинні у лугах речовини темного забарвлення, що являють собою високомолекулярні оксикарбонові кислоти з різко вираженими властивостями колоїдів. Спільним їх властивістю є велика стійкість проти кислого гідролізу та нерозчинність у ацетил-броміді, що різко відрізняє ці речовини від більшості речовин рослинного походження, у тому числі від лігніну, з яким гумінові речовини мають спільну властивість - стійкість проти кислого гідролізу.
Найменший вміст гумінових речовин (близько 45-50% від загальної кількості гумусу) відповідає кислим підзолистим ґрунтам, а найбільший (70-90%) - чорноземам та лучно-болотним ґрунтам; перегнойно-карбонатні ґрунти та лісові буроземи займають проміжне положення.
Гумінові речовини поділяють ще на три групи:
- Гумінові речовини, нерозчинні у лугах.
- Гумінові кислоти, розчинні у лугах та нерозчинні у спирті.
- Гематомеланова кислота, розчинна у спирті.
По відношенню до загальної кількості гумусу в ґрунтах України гумінових кислот міститься від 10,1% (опідзолені лісові ґрунти) до 40% (вилуговані чорноземи).
Гумінова кислота ґрунтів і торфів містить вуглець, кисень, водень, азот та золу. Вміст азоту становить 3,5-4%. У продуктах гідролізу гумінової кислоти Сузукі та Шмук знайшли амінокислоти (аланін, аміновалерианова кислота, пролін, лейцин, аспарагінова кислота, глутамінова кислота, тирозин, гістидин), аміди та азот негідролізованого залишку. Однак лише половина всього азоту гумінової кислоти здатна до гідролітичного розщеплення.
Вважають, що у перерахунку на беззольну та безазотисту речовину гумінова кислота ґрунту містить 58,8% вуглецю, 36,1% кисню, 5,1% водню, а гематомеланова кислота - 59% вуглецю, 36% кисню та 5% водню.
Негумінові речовини
(лігнін, целюлоза, геміцелюлоза, протеїни, низькомолекулярні продукти розпаду). По відношенню до загальної кількості гумусу вміст лігніну у мінеральних ґрунтах становить 5-10 відсотків.
Порівняно з геміцелюлозами целюлози у ґрунтах міститься значно менше, що пояснюється властивістю целюлози рослинних залишків до розкладання. У верхніх горизонтах ґрунту вміст целюлози у гумусі становить від 1 до 6-7 відсотків.
Загальна кількість азоту у гумусі становить у середньому близько 5%. Лише незначна частина органічного азоту розчиняється у воді. Хоча після гідролізу в кислий розчин переходить значна частина азоту (у вигляді амінокислот та амідів), все ж вважають, що частина азоту пов'язана в інші, ніж білки рослинного та тваринного походження, сполуки.
Бітуми
(жири, смоли, віск, жирні кислоти тощо). Вміст цих речовин у ґрунтах по відношенню до загальної кількості гумусу становить від 5% (у аерованих ґрунтах) до 15-20% (у ґрунтах, де розклад відбувається в анаеробних умовах).
Шорі та Мартін, Ваксман, Норман, Бартолом'ю дійшли висновку, що від 10 до 30% вуглецю органічних речовин знаходиться у ґрунті у вигляді поліуронідів. Коджима показав, що близько 25% азоту органічної речовини ґрунту знаходиться у вигляді сполук, які при гідролізі не переходять у розчин, близько 30% знаходиться у вигляді амінокислот, 10% азоту - у вигляді аміаку, решта 20% знаходиться в інших формах у розчині.
Вміст лейцину, ізолейцину та валіну по відношенню до загального азоту амінокислот становить 33%, оксикарбонових амінокислот - близько 20% та дикарбонових амінокислот - близько 25%. Аспарагінова, глутамінова та, можливо, оксиглутамінові кислоти становлять близько 50% дикарбонових амінокислот.
Е. Рассел зазначав, що у ґрунті з органічних сполук фосфору зустрічаються фітин, сполуки нуклеїнової кислоти та нуклеотиди. У ґрунті штату Айова близько 40-50% фосфору органічних сполук було гідролізовано до фосфатів, з яких близько 66% становив фітин. Припускають, що сірка у ґрунті міститься у вигляді цистеїну та цистину, які входять до складу протеїнів із рослинних залишків.
Ще з часів Лібіха вчені стверджують, що перегній ґрунту служить безпосереднім джерелом мінеральних поживних речовин. Серед цих речовин, крім СО₂, велике значення мають NH₃ та нітрати, фосфати, сульфати та інші необхідні для живлення рослин мінеральні сполуки.
На чорноземах кількість виділяється СО₂ коливається від 15 до 77 кг/га за добу, а при розкладі дернового шару лучного ґрунту - 20,0-240 кг/га. Останнім часом показано, що вуглекислий газ ґрунту засвоюється кореневою системою рослин.
Дослідження багатьох вчених показали, що розклад перегною на парових полях у підзолистому ґрунті обумовлює накопичення нітратів до часу сівби у кількості 0,5-1 т, тоді як у чорноземах - до 2,5 т селітри на гектар.
Різні органічні сполуки, значна частина яких може утворитися у ґрунті як проміжні продукти розпаду, такі як креатинін, аргінін, гістидин, гуанідин, ксантин, гіпоксантин та нуклеїнова кислота, можуть засвоюватися рослинами замість нітратів та аміаку; цукри - як джерело вуглецю; лецитин та цистин - як джерела фосфору та сірки.
Вміст органічної речовини у ґрунті збільшується пропорційно надходженню до нього рослинних залишків, але залежить від характеру надходження. Найважливішим джерелом органічної речовини у добре розораних ґрунтах служать гній та компости.
Швидкість розкладання органічної речовини у ґрунті залежить від складу рослинних залишків або органічних добрив, аерації, зволоження, температури, хімічних та фізичних властивостей ґрунту.
Різні ґрунти містять неоднакову кількість органічної речовини, що видно з даних таблиці 2.
| Ґрунти | Гумусу у верхньому шарі, % | Загальна кількість гумусу на 1 м², кг | Загальна кількість гумусу на 1 га, т |
|---|---|---|---|
| Сероземи | 1-2 | 5 | 50 |
| Світло-каштанові (бурі напівпустельні) | 1,5-2 | 10 | 100 |
| Темно-каштанові (та південні чорноземи) | 3-4 | 20-25 | 200-250 |
| Звичайні чорноземи | 7,8-8 | 40-50 | 400-500 |
| Потужні чорноземи | 10 | 80 | 800 |
| Вилуговані чорноземи | 8-7 | 60-50 | 600-500 |
| Лісостепові опідзолені | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Підзоли північної лісової зони | 3-4 | 8-12 | 80-120 |
| Червоноземи, буроземи та опідзолені ґрунти | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Перегнойно-карбонатні ґрунти лісових областей | 4,8-8 | 20-40 | 200-400 |
| Гірсько-лугові | 25 | 30 | 300 |
Основне завдання землеробства полягає у раціональному використанні та регулюванні вмісту перегною у ґрунті шляхом обробітку, чергування культур у сівозмінах, внесення гною та компостів, зеленого добрива, торфування, осушувальної та зрошувальної меліорації, застосування штучних органічних та органно-мінеральних добрив.
Обробіток ґрунту посилює розклад перегною, що особливо помітно при вирощуванні пропашних культур. Різні рослини збільшують вміст органічних речовин у ґрунті. Систематичне внесення гною або компостів помітно підвищує вміст перегною у ґрунті.