Для любого фермерского хозяйства большое значение имеет повышение эффективности плодородия почвы. В почвах сосредоточено огромное количество питательных веществ — в перегное (гумусе), органических остатках растительного происхождения и в минеральных соединениях. Примерные запасы гумуса, азота и фосфорной кислоты для разных почв составляют такие величины (табл. 1).
| Почвы | Слой 0-20 см | Слой 0-100 см | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Гумус | N | Р₂О₅ | Гумус | N | Р₂О₅ | |
| Мощные черноземы | 160 | 11.0 | 2.7 | 700 | 36.0 | 11.9 |
| Обыкновенные черноземы | 140 | 7.0 | 2.4 | 500 | 25.0 | 8.5 |
| Подзолы | 50 | 3.2 | 0.8 | 100 | 6.6 | 1.7 |
| Сероземы | 40 | 3.7 | 0.7 | 80 | 7.5 | 1.4 |
Азот в почве в основном сосредоточен в перегное, составляя в среднем 5-6%; небольшая часть его содержится в форме минеральных соединений. Значительная часть фосфора содержится также в органических соединениях. В подзолах, например, фосфор органической части составляет 20-25% от его общего количества, а в черноземах — около 50%. Калий в почвах находится в основном в минеральной форме. Валовое содержание калия в пересчете на К₂О достигает 60-80 т на гектар.
Если учесть, что для урожая зерна пшеницы в 40 ц/га используется 80-120 кг азота, 40-50 кг фосфора и 56-60 кг калия, то запасы их в 20-сантиметровом слое черноземов обеспечивают получение такого урожая зерна на протяжении 80-120 лет, а запасы подзолов и сероземов — в течение 30-50 лет. Метровый слой подзолов и сероземов может обеспечить высокий урожай сельскохозяйственных культур азотом на протяжении 130-150 лет, такой же слой черноземов — 500-700, а осушенных земель — до 2500-2800 лет. Еще на больше лет в минеральной почве имеется запасов фосфора и калия.
Некоторое количество азота, фосфора, калия и других элементов питания в почве содержится в растительных остатках (корни, пожнивные остатки). Наибольшее количество этих остатков (до 250 т/га) имеется в целинных почвах. Хотя количество питательных веществ в растительных остатках относительно небольшое, ценным является то, что эти вещества быстро трансформируются в усвояемые для растений соединения.
Активизация превращения перегноя и растительных остатков правильной обработкой почвы и агротехникой является важнейшим фактором повышения урожая в стране. Однако основным средством увеличения валовых сборов сельскохозяйственной продукции, особенно в районах распространения подзолистых и оподзоленных разновидностей почв, являются органические удобрения — навоз, торф и различные компосты. Применение их нередко удваивает и даже утраивает урожай сельскохозяйственных культур.
Содержание и состав органического вещества в почве
Известно, что источниками органического вещества в почвах являются растительные остатки и микроорганизмы, а также навоз и компосты. Эти материалы, из которых в дальнейшем образуется почвенный перегной, по своей химической природе состоят из углеводов и близких к ним веществам (моносахариды, ди- и трисахариды, полисахариды), лигнина, азотистых соединений (белковые вещества, аминокислоты, амиды, алкалоиды, хлорофилл, глюкозиды), жиров и близких к ним веществ (пальметиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты, лецитины, фитостерины, воск), смол и терпенов, суберина, кутина и спорополленинов, а также зольных веществ растений.
Растительные остатки в почве, подвергаясь разнообразным процессам превращения, разрушаются с образованием простых соединений (Н₂О, СО₂, NH₃, HNO₃ и др.) или переходят в более инертные формы органического вещества.
Начало более глубокого изучения состава и природы гумуса было положено Шпренгелем в 1826 году, который своими исследованиями гумуса достиг больших успехов. Дальнейшее изучение состава и природы гумуса почвы связано с именами Берцелиуса, Мульдера, Германа, Шрейнера, Шори, Трусова, Свен-Одена, Шмука, Вильямса, Ваксмана, Тюрина, Кононовой и многих других.
Перегнойные вещества почвы принадлежат к своеобразным высокомолекулярным органическим соединениям, имеющим очень сложный химический состав, который до сих пор в точности еще не расшифрован; их образуют почвенные бактерии и грибы.
В зависимости от биологического типа синтеза и разрушения органического вещества почвы В. Р. Вильямс различает три группы перегнойных органических кислот:
- Гуминовые (группа перегнойных кислот черного цвета) — образуются аэробными бактериями.
- Ульминовые (перегнойные кислоты бурого цвета) — образуются анаэробными бактериями.
- Креновые, или фульвокислоты (группа бесцветных перегнойных кислот) — синтезируются грибами, свойственными лесным насаждениям, причем такие кислоты при определенных условиях переходят в апокреновые.
Процесс образования почвенного перегноя включает разложение растительных остатков и иных форм мертвого органического вещества до более простых окисленных или восстановленных соединений; с другой стороны, он протекает как синтез весьма сложной природы перегнойных кислот. Процессы образования перегноя — разложение и синтез — являются результатом ферментативной деятельности почвенных микроорганизмов.
Ученые-специалисты в данной сфере утверждают, что почвенный гумус представляет собой весьма сложный и динамический по своей природе комплекс многочисленных и очень разнообразных по своей химической природе соединений. В этом комплексе различают четыре группы веществ: органические вещества неразложившихся остатков растений и животных, органические вещества живых и неразложившихся мертвых микроорганизмов, промежуточные продукты распада сложных органических соединений, гуминовые вещества и битумы как продукт своеобразных процессов физико-химического и внеклеточного энзиматического синтеза.
Химический состав гумуса характеризуется следующими группами соединений:
Гуминовые вещества
К этой группе относятся характерные для почвенного гумуса растворимые и не растворимые в щелочах вещества темной окраски, представляющие собой высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты с резко выраженными свойствами коллоидов. Общим их свойством является большая устойчивость против кислого гидролиза и нерастворимость в ацетил-бромиде, что резко отличает эти вещества от большинства веществ растительного происхождения, в том числе от лигнина, с которым гуминовые вещества имеют общее свойство — устойчивость против кислого гидролиза.
Наименьшее содержание гуминовых веществ (около 45-50% от общего количества гумуса) соответствует кислым подзолистым почвам, а наибольшее (70-90%) — черноземам и лугово-болотным почвам; перегнойно-карбонатные почвы и лесные буроземы занимают промежуточное положение.
Гуминовые вещества подразделяют еще на три группы:
- Гуминовые вещества, не растворимые в щелочах.
- Гуминовые кислоты, растворимые в щелочах и не растворимые в спирте.
- Гематомелановая кислота, растворимая в спирте.
По отношению к общему количеству гумуса в почвах Украины гуминовых кислот содержится от 10,1% (оподзоленные лесные почвы) до 40% (выщелоченные черноземы).
Гуминовая кислота почв и торфов содержит углерод, кислород, водород, азот и золу. Содержание азота составляет 3,5-4%. В продуктах гидролиза гуминовой кислоты Сузуки и Шмук нашли аминокислоты (аланин, аминовалериановая кислота, пролин, лейцин, аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, тирозин, гистидин), амиды и азот негидролизуемого остатка. Однако только половина всего азота гуминовой кислоты способна к гидролитическому расщеплению.
Считают, что в пересчете на беззольное и безазотистое вещество гуминовая кислота почвы содержит 58,8% углерода, 36,1% кислорода, 5,1% водорода, а гематомелановая кислота — 59% углерода, 36% кислорода и 5% водорода.
Негуминовые вещества
(лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, протеины, низкомолекулярные продукты распада). По отношению к общему количеству гумуса содержание лигнина в минеральных почвах составляет 5-10 процентов.
По сравнению с гемицеллюлозами целлюлозы в почвах содержится значительно меньше, что объясняется свойством целлюлозы растительных остатков к разложению. В верхних горизонтах почвы содержание целлюлозы в гумусе составляет от 1 до 6-7 процентов.
Общее количество азота в гумусе составляет в среднем около 5%. Только незначительная часть органического азота растворяется в воде. Хотя после гидролиза в кислый раствор переходит значительная часть азота (в виде аминокислот и амидов), все же считают, что часть азота связана в иные, чем белки растительного и животного происхождения, соединения.
Битумы
(жиры, смолы, воск, жирные кислоты и т. п.). Содержание этих веществ в почвах по отношению к общему количеству гумуса составляет от 5% (в аэрируемых почвах) до 15-20% (в почвах, где разложение происходит в анаэробных условиях).
Шори и Мартин, Ваксман, Норман, Бартоломью пришли к заключению, что от 10 до 30% углерода органических веществ находится в почве в виде полиуронидов. Коджима показал, что около 25% азота органического вещества почвы находится в виде соединений, которые при гидролизе не переходят в раствор, около 30% находится в виде аминокислот, 10% азота — в виде аммиака, остальных 20% находится в других формах в растворе.
Содержание лейцина, изолейцина и валина по отношению к общему азоту аминокислот составляет 33%, оксикарбоновых аминокислот — около 20% и дикарбоновых аминокислот — около 25%. Аспарагиновая, глютаминовая и, возможно, оксиглютаминовые кислоты составляют около 50% дикарбоновых аминокислот.
Э. Рассел отмечал, что в почве из органических соединений фосфора встречаются фитин, соединения нуклеиновой кислоты и нуклеотидов. В почве штата Айова около 40-50% фосфора органических соединений было гидролизовано до фосфатов, из которых около 66% составлял фитин. Предполагают, что сера в почве содержится в виде цистеина и цистина, которые входят в состав протеинов из растительных остатков.
Еще со времени Либиха ученые утверждают, что перегной почвы служит непосредственным источником минеральных питательных веществ. В числе этих веществ, кроме СО₂, большое значение имеют NH₃ и нитраты, фосфаты, сульфаты и другие необходимые для питания растений минеральные соединения.
На черноземах количество выделяющейся СО₂ колеблется от 15 до 77 кг/га за сутки, а при разложении дернового слоя луговой почвы — 20,0-240 кг/га. В последнее время показано, что углекислота почвы усваивается корневой системой растений.
Исследования многих ученых показали, что разложение перегноя на паровых полях в подзолистой почве обусловливает накопление нитратов ко времени посева в количестве 0,5-1 т, тогда как в черноземах — до 2,5 т селитры на гектар.
Различные органические соединения, значительная часть которых может образоваться в почве в качестве промежуточных продуктов распада, как, например, креатинин, аргинин, гистидин, гуанидин, ксантин, гипоксантин и нуклеиновая кислота, могут усваиваться растениями взамен нитратов и аммиака, сахара — в качестве источника углерода, лецитин и цистин — в качестве источников фосфора и серы.
Содержание в почве органического вещества увеличивается пропорционально поступлению в нее растительных остатков, но зависит от характера поступления. Важнейшим источником органического вещества в хорошо распаханных почвах служат навоз и компосты.
Скорость разложения органического вещества в почве зависит от состава растительных остатков или органических удобрений, аэрации, увлажнения, температуры, химических и физических свойств почвы.
Различные почвы содержат неодинаковое количество органического вещества, что видно из данных таблицы 2.
| Почвы | Гумуса в верхнем слое, % | Общее количество гумуса на 1 м², кг | Общее количество гумуса на 1 га, т |
|---|---|---|---|
| Сероземы | 1-2 | 5 | 50 |
| Светло-каштановые (бурые полупустынные) | 1,5-2 | 10 | 100 |
| Темно-каштановые (и южные черноземы) | 3-4 | 20-25 | 200-250 |
| Обыкновенные черноземы | 7,8-8 | 40-50 | 400-500 |
| Мощные черноземы | 10 | 80 | 800 |
| Выщелоченные черноземы | 8-7 | 60-50 | 600-500 |
| Лесостепные оподзоленные | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Подзолистые северной лесной зоны | 3-4 | 8-12 | 80-120 |
| Красноземы, буроземы и оподзоленные почвы | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Перегнойно-карбонатные почвы лесных областей | 4,8-8 | 20-40 | 200-400 |
| Горно-луговые | 25 | 30 | 300 |
Коренная задача земледелия состоит в рациональном использовании и регулировании содержания перегноя в почве путем обработки, чередования культур в севооборотах, внесения навоза и компостов, зеленого удобрения, торфования, осушительной и оросительной мелиорации, применения искусственных органических и органо-минеральных удобрений.
Обработка почвы усиливает разложение перегноя, что особенно заметно при выращивании пропашных культур. Различные растения увеличивают содержание органических веществ в почве. Систематическое внесение навоза или компостов заметно повышает содержание перегноя в почве.