Значение органических веществ почвы и удобрений для питания растений

Для любого фермерского хозяйства большое значение имеет повышение эффективности плодородности почвы.

В почвах сосредоточено громадное 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).

Таблица1

Запасы гумуса, азота и фосфора (в m/га) в разных почвах

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 К₂Одостигает 60—80 т на гектар.

Если учесть, что для урожая зерна пшеницы в 20 ц/га используется 40—60 кг азота, 20—25 кг фосфора и 28—30 кг калия, то запасы их в 20-сантиметровом слое черноземов обеспечивают получение такого урожая зерна на протяжении170—230 лет, а запасы подзолов и сероземов — в течение 60—75 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, лецытины, фитостерины, воск), смол и терпенов, субтерина, 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 в1826 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:

а) гуминовые (группа перегнойных кислот черного цвета) — образуются аэробными бактериями;

б) ульминовые (перегнойные кислоты бурого цвета) — образуются анаэробными бактериями;

в) 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, но 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.

Они считают, что в составе гумуса, наряду с соединениями, известными из химии растительных и животных веществ, образуются специфические соединения, возникающие в результате особых характерных для гумуса и нехарактерных для живой природы процессов.

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 карбоксильные кислоты с резко выраженными свойствами коллоидов. Общим их свойством является большая устойчивость против кислого гидролиза не растворимость 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%) - чернозёмам и лугово-болотным почвам; перегнойно-карбонатные почвы и лесные буроземы занимают промежуточное положение.

Гуминовые вещества подразделяют еще на три группы:

а) гуминовые вещества, не растворимые в щелочах;

б) гуминовые кислоты, растворимые в щелочах и не растворимые в спирте;

в) 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 чернозёмы).

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 не гидролизуемого остатка. Однако только половина всего азота гуминовой кислоты способна к гидролитическому расщеплению.

Считают, что в пересчете на беззольное и без азотистое вещество гуминовая кислота почвы содержит 58,8% углерода, 36,1% кислорода, 5,1% водорода, а гематомелановая кислота — 59% углерода, 36% кислорода и 5% водорода.

Не гуминовые 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).

Шории 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 составляет33%, 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.

Ещё 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 чернозёмах количество выделяющейся СО₂ колеблется от 15 до 77 кг/газа 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 про порционально поступлению в нерастительных 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 изданных таблицы 2.

Таблица 2

Запасы органического вещества в почвах

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.

Органическое вещество почвы как источник активаторов роста растений

Всем известно огромное значение органических веществ почвы как источников зольного и углеродного питания растений.

В органической части почвы общие запасы таких важнейших элементов, как азот и фосфор, исчисляются тоннами на гектар. В метровом слое подзолистых почв содержится около 6 т/га, в лесостепных оподзоленных почвах — до12, в черноземах — до 24—35, в каштановых — до 10—15, в сероземах до 7—10 т/га азота. Количество фосфорорганических соединений в пересчете на Р₂О₅ составляет в подзолистых почвах около0,5, а в чернозёмах — примерно 1,5 т/га. Все это нужно рассматривать как огромный резерв питательных веществ для растений, который, постепенно минерализуясь, медленно используется ими. Однако значение органических веществ в питании растений не может быть ограничено только функцией резерва зольных элементов.

На основании многочисленных исследований доказано, что в почве содержатся органические вещества, которые могут принимать участие в физиолого-биохимических процессах, связанных с дыханием, обменом веществ, усвоением элементов зольного питания растений, что сказывается на росте, развитии и продуктивности растений. Среди этих органических соединений следует указать на важное значение активаторов роста. Органическое вещество почвы является источником активаторов роста растений.

К этой группе органических соединений следует отнести витамины, ауксины и другие биотические вещества (поступающие в почву с корневыми выделениями растений, с органическими остатками животного и растительного происхождения, с навозами, различного рода компостами и в значительных количествах образуемые микрофлорой почвы),антибиотики, биологические активаторы, а также гуминовую кислоту и гуматы.

Наличие в почвах разнообразных витаминов. Учеными обнаружены витамины алифатического ряда (например, пантотеновая кислота), ароматического ряда (например, альфа-аминобензойная кислота), разнообразные группы витаминов гетероциклического ряда (например, никотиновая кислота, производные пиридина, тиамин, биотин, рибофлавин, фолиевая кислота и др.). В пахотном слое почвы на площади 1 га витаминов содержится от нескольких сот граммов до нескольких килограммов.

Хотя растениям присущи свойства самостоятельного синтеза всех необходимых витаминов, установлено положительное влияние дополнительного снабжения растений витаминами через корни или путем внекорневой подкормки, особенно в ранние периоды их роста.

К группе биотически активных веществ почвы относятся ауксины, которые усиливают ростовые процессы и развитие корневой системы. Гетероауксин (бета-индолилуксусная кислота), применяемый в садоводстве и овощеводстве для укоренения черенков и рассады и для ускорения созревания плодов, образуется в почве как продукт жизнедеятельности различных почвенных микроорганизмов.

В почве содержатся продуцируемые микроорганизмами органические вещества, обладающие свойствами антибиотиков (стрептомицин, пенициллин, террамицин и др.), которые влияют на состав микробных ценозов почвы, а при поступлении в растения длительное время сохраняют свои свойства и могут предохранять их от заболеваний. Известно также, что пенициллин, стрептомицин и террамицин оказывают влияние на передвижение в растении азота, фосфора и калия.

Антибиотики  витамины в неизменном виде поступают в растения через корневую систему и включаются в жизненные процессы обмена веществ.

Свойствами биологических активаторов обладают многие органические соединения индивидуальной природы, такие как аминокарбоновые (в частности, янтарная, фумаровая) и другие кислоты. Предпосевная обработка семян различных растений слабыми концентрациями янтарной и фумаровой кислот оказывает положительное влияние на энергию прорастания, на рост корней и надземных органов растений, на величину и качество урожая. Эта групп абиотических веществ органических соединений является продуктами жизнедеятельности многих групп почвенных микроорганизмов и присутствие их в почвах и в почвенных растворах не вызывает сомнений. Об этом свидетельствуют результаты опытов, проведенных нашими учеными, показавших, что добавка в питательную среду водных культур на смеси Кнопа незначительных количеств почвенного раствора оказала положительное влияние на рост ячменя и пшеницы.

Нашими исследованиями, установлено, что в корневых остатках, как и в органических удобрениях, всегда имеется незначительное количество тиамина —витамина. В₁ который положительно влиял на рост корней в длину.

Наличие в богатых органическими веществами почвах значительного количества микроорганизмов и их выделений обусловливает образование в них органических активаторов роста. В перегнойных веществах на каждые 100 г богатой органическими веществами почвы может содержаться 980 микрограмм рибофлавина, 15—30 микрограмм биотина, 15 микрограмм тиамина, а на бедных на перегнойные вещества почвах — только 10—15 микрограмм рибофлавина,1,5—2 микрограмма тиамина и 0,06 микрограмма биотина.

Органические удобрения содержат в своём составе аневрин, биотин и различные аминокислоты, которые способны улучшать условия питания растений. Установлено, что в компостах при их созревании накапливаются физиологически активные вещества типа биотина, рибофлавина, нейрина, пантотеновой, фолиевой и никотиновой кислот, значительно повышающие их качество и играющие важную роль в процессе питания растений.

Большой интерес представляют многочисленные исследования физиологического значения для растений группы собственно гуминовых веществ.

Гуминовые вещества, выделенные из торфов, ископаемых углей и почв в форме высокодисперсных золей и истинных растворов, в малых дозах усиливают рост высших растений.

Гуминовые вещества активируют рост и развитие корней у растений, особенно на ранних фазах их роста, а также влияют на физико-химическое состояние протоплазмы растений.

Отмечено, что в присутствии гуминовых веществ повышалась проницаемость растительных клеток, что способствовало усилению поступления в растения воды и питательных веществ.

Как показали исследования Христевой, золи и растворы гуминовых кислот в малых концентрациях активизировали дыхательный газообмен растительных тканей ферментативные системы растений, в частности фенолазную, окислительно-восстановительную систему ферментов дыхания.

Христева отмечает, что гуминовые соединения могут непосредственно усваиваться растениями через корни.

Имеются также указания на то, что гуминовым веществам принадлежит важное значение в обеспечении растений железом, марганцем, медью в виде хелатов.

В условиях орошаемого земледелия широко испытаны гуминовые удобрения, давшие обнадеживающие результаты в повышении урожая различных сельскохозяйственных культур.

Органическое вещество почвы и удобрении как фактор улучшения условии питания растений

Большим достижением почвоведения, агрохимии и физиологии растений является создание советскими учеными теории учения о почвенном поглощающем комплексе и его роли в питании растений. Эти данные используются для разработки систем химической мелиорации, обработки почв, применения удобрений, дифференцированной агротехники, повышающих плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных растений.

В 20-х годах текущего столетия, когда формировалось учение о поглотительных свойствах почв, было установлено, что коллоидные фракции являются наиболее активной частью почв, так как они обусловливают поглощение катионов и анионов солей из удобрений, воды, газов и других веществ.

Производительность почв в смысле использования. растениями питательных веществ как тех, что содержатся в почве, так и внесенных с удобрениями является функцией ее поглощающего комплекса. Вследствие несовершенства методов исследования первоначальное представление о поглощающем комплексе было недостаточно точным.

Дело коренным образом изменилось после того, как были разработаны рентгенографический метод анализа тонких фракций, термографический способ дифференциальных кривых ,электронографический анализ, методы инфракрасной спектроскопии, меченых атомов и электронной микроскопии.

В состав поглощающего комплекса почвы входят минеральная, органическая и органо-минеральная части.

Органическая часть почвенного поглощающего комплекса представляет собой сочетание высокомолекулярных соединений. Изучение за последние годы гумусовых соединений с помощью новых методов принесло много ценного. Оказалось, что гумус представляет собой очень сложную полидисперсную систему, в состав которой входят, главным образом, вторичные органические соединения, образующиеся в почве вследствие разложения остатков растений и животных и биосинтеза с участием микроорганизмов. В большинстве это высоко-молекулярные, ароматические, карбоксильные кислоты сложного состава.

Гуминовые кислоты являются гетерополиконденсатами и имеют активные карбоксильные группы (СООН),фенолгидроксильные группы (ОН), метоксильные группы (ОСН₃), аминные (NH₂) и другие.

В каждой почве имеются как гуминовые и фульвокислоты, так гумин. Количество этих соединений в генетически различных почвах разное. Так, в подзолистых почвах гуминовой кислоты содержится 15—25% от общего содержания гумуса в слое 0—20 см, фульвокислот —47% и нерастворимого остатка — 28%, тогда как в черноземе обыкновенном при 6—10% гумуса — соответственно 40, 39 и 38%, а в красноземе при содержании5—8% перегноя — 15, 50 и 33%.

Гуминовые и фульвокислоты характеризуют почвенный поглощающий комплекс.

Доказано наличие соединений гуминовых кислот с алюминием и железом. Эти комплексные соединения и является одним из видов органо-минеральных соединений почвы. Но более важной является основная часть органо-минеральных соединений, которая представляет собой сочетание гуминовых кислот с глинистыми частицами почвы.

Если принять во внимание строение и свойства минералов почвы и гуминовых кислот, то можно предполагать образование очень устойчивых соединений гуминовых кислот с минералами группы монтмориллонита и менее устойчивых — с минералами группы каолинита.

Применение микроудобрений совместно с минеральными удобрениями в рядки и гнезда либо с органическими в виде компостов значительно повышает их эффективность. Минеральные удобрения при поглощении их частицами микроудобрений лучше используются растениями, что способствует направленному улучшению питания различных сельско-хозяйственных культур.

Агрономами проводились опыты в Черкасской и Кировоградской области, которые показали, что навоз, с микроудобрениями, значительно повышает урожай озимой пшеницы и сахарной свёклы: для компостирования на каждые 2 т навоза брали 2л\га гуматакалия. При урожае на контрольных полях зерна озимой пшеницы 14—24 ц/га и сахарной свеклы 274—287 ц/га компостированный с добавлением гумата калия навоз способствовал повышению урожая зерна пшеницы на 2,8—5,2 ц/га, а корней свеклы — на 18—26 ц/га при этом содержание белка в зерне озимой пшеницы повышалось на 1,5—2%, а сахаристость корней свеклы — на0,4—0,6 процента.

Ежегодный учёт урожая за 4 года показал, что от внесения в рядки минеральных удобрений совместно с 2л/га гумата калия урожай корней сахарной свеклы по сравнению с внесением одних только минеральных удобрений на разных почвах увеличивался в среднем на 14—26 ц/га, а сахаристость — на 0,4—0,6%. В зависимости от свойств почвы и отдаленности от расположения залежей чистый доход хозяйств от применения гумата калия повышался с каждого гектара посева сахарной свеклы.

Природа действия, гумата калия давно изучена нами в различных областях Украины.

Прежде всего было установлено, что гумат калия имеет значительную поглотительную способность и положительно влияет на активность микрофлоры почвы, а также микрофлоры навоза при его компостировании. Сущность же положительного действия гумата калия на растения заключалась в его свойстве поглощать минеральные соли, уменьшать концентрацию почвенного раствора в местах расположения семян сахарной свеклы и других культур, что, в свою очередь, улучшало условия, повышало урожай и питание растений, а это улучшало качество сельскохозяйственной продукции.