Значення органічних речовин ґрунту та добрив для живлення рослин

Для будь-якого фермерського господарства велике значення має підвищення ефективності родючості ґрунту.

У ґрунтах зосереджено величезну кількість поживних речовин - у перегною (гумусі), органічних залишках рослинного походження та в мінеральних сполуках.

Зразкові запаси гумусу, азоту та фосфорної кислоти для різних ґрунтів становлять такі величини
(табл. 1).

Таблиця 1

Запаси гумусу, азоту та фосфору (в m / га) у різних ґрунтах

Азот у ґрунті в основному зосереджений у перегною, становлячи в середньому 5-6%; невелика частина його міститься у формі мінеральних сполук. Значна частина фосфору міститься також у

органічні сполуки. У підзолах, наприклад, фосфор органічної частини становить 20—25% від загальної кількості, а чорноземах — близько 50%. Калій у ґрунтах знаходиться в основному в мінеральній формі. Валовий вміст калію в перерахунку на К ₂ становить 60—80 т на гектар.

Якщо врахувати, що для врожаю зерна пшениці в 20 ц/га використовується 40-60 кг  азоту, 20-25 кг фосфору та 28-30 кг калію, то запаси їх у 20-сантиметровому шарі чорноземів забезпечують одержання такого врожаю зерна протягом 170-23 років, а запаси підзолів та сіроземів - протягом 60-75 років. Метровий шар підзолів та сіроземів може забезпечити високий урожай сільськогосподарських культур азотом протягом 130—150 років, такий самий шар чорноземів — 500—700, а осушених земель — до 2500—2800 років. Ще більше років у мінеральному грунті є запасів фосфору і калію. Деяка кількість азоту, фосфору, калію та інших елементів
харчування у грунті міститься у рослинних залишках (коріння, пожнивні залишки). Найбільше цих залишків (до 250 т/га)
є в цілинних грунтах. Хоча кількість поживних речовин у рослинних залишках відносно невелика, цінним є те, що ці речовини швидко трансформуються в сполуки, що засвоюються для рослин.

Активізація перетворення перегною та рослинних залишків правильною обробкою ґрунту та агротехнікою є найважливішим фактором підвищення врожаю в країні. Проте 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 і потроює врожай сільськогосподарських культур.

Вміст та склад органічної речовини у ґрунті

Відомо, що джерелами органічної речовини в ґрунтах є рослинні залишки та мікроорганізми, а також гній та компости. Ці матеріали, з яких надалі утворюється ґрунтовий перегній, за своєю хімічною природою складаються з вуглеводів та близьких до них речовин (моносахариди, ді- та трисахариди, полісахариди), лігніну, азотистих сполук (білкові речовини, амінокислоти, аміди, алкалоїди, глюкозиди), жирів та близьких до них речовин (пальметинова, стеаринова, олеїнова, лінолева та ліноленова кислоти, лецитини, фітостерини, віск), смол і терпенів, субтерину, кутину та спорополінінів, а також зольних речовин рослин.

Рослинні залишки в грунті, піддаючись різноманітним процесам перетворення, руйнуються з утворенням простих сполук (Н ₂ Про, ₂ , NH ₃ , HNO ₃ та ін) або переходять в більш інертні форми органічної речовини.

Початок глибшого вивчення складу і природи гумусу було покладено Шпренгелем в 1826, який своїми дослідженнями гумусу досяг великих успіхів.

Подальше вивчення складу та природи гумусу грунту пов'язане з іменами Берцеліуса, Мульдера, Германа, Шрейнера, Шорі, Трусова, Свен-Одена, Шмука, Вільямса, Ваксмана, Тюріна, Кононова 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:

а) гумінові (група перегнійних кислот чорного кольору) – утворюються аеробними бактеріями;

б) ульмінові (перегнійні кислоти бурого кольору) - утворюються анаеробними бактеріями;

в) кренові, або фульвокислоти (група безбарвних перегнійних кислот) - синтезуються грибами, властивими лісовим насадженням, причому такі кислоти за певних умов переходять до апокренових.

Процес утворення ґрунтового перегною включає розкладання рослинних залишків та інших форм мертвої органічної речовини до більш простих окислених або відновлених сполук; з іншого боку, він протікає як синтез складної природи перегнійних кислот. Процеси утворення перегною - розкладання та синтез - є результатом ферментативної діяльності грунтових мікроорганізмів.

Вчені-фахівці в даній сфері стверджують, що грунтовий гумус є дуже складним і динамічним за своєю природою комплексом численних і дуже різноманітних, але своєю хімічною природою сполук. У цьому комплексі розрізняють чотири групи речовин: органічні речовини залишків рослин і тварин, що не розклалися, органічні речовини живих і нерозкладених мертвих мікроорганізмів, проміжні продукти розпаду складних органічних сполук, гумінові речовини і бітуми як продукт своєрідних процесів фізико-хімічного та позаклітинного ензи.

Вони вважають, що у складі гумусу, поруч із сполуками, відомими з хімії рослинних і тваринних речовин, утворюються специфічні сполуки, що виникають у результаті особливих характерних гумусу і нехарактерних для живої природи процесів.

Хімічний склад гумусу характеризується наступними групами сполук.

Гумінові речовини. До цієї групи відносяться характерні для ґрунтового гумусу розчинні і нерозчинні в лугах речовини темного забарвлення, що являють собою високомолекулярні карбоксильні кислоти з різко вираженими властивостями колоїдів. Загальною їх властивістю є велика стійкість проти кислого гідролізу не розчинність в ацетил-броміді, що різко відрізняє ці речовини від більшості речовин рослинного походження, у тому числі від лігніну, з яким гумінові речовини мають загальну властивість - стійкість проти кислого гідролізу.

Найменший вміст гумінових речовин (близько 45-50% від загальної кількості гумусу) відповідає кислим підзолистим ґрунтам, а найбільше (70-90%) - чорноземам та лучно-болотним ґрунтам; перегнійно-карбонатні ґрунти та лісові буроземи займають проміжне положення.

Гумінові речовини поділяють ще на три групи:

а) гумінові речовини, які не розчиняються в лугах;

б) гумінові кислоти, розчинні у лугах і нерозчинні у спирті;

в) 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% (вилужені чорноземи).

Гумінова кислота грунтів та торфів містить вуглець, кисень, водень, азот та золу. Вміст азоту становить 35-4%. У продуктах гідролізу гумінової кислоти Сузукі і Шмук знайшли амінокислоти (аланін, аміновалеріанова кислота, пролін, лейцин, аспарагінова кислота, глютамінова кислота, тирозин, гістидин), аміди і азот залишку, що не гідролізується. Однак лише половина всього азоту гумінової кислоти здатна до гідролітичного розщеплення.

Вважають, що в перерахунку на беззольну та без азотисту речовину гумінова кислота ґрунту містить 58,8% вуглецю, 36,1% кисню, 5,1% водню, а гематомеланова кислота – 59% вуглецю, 36% кисню та 5% водню.

Чи не гумінові речовини (лігнін, целюлоза, геміцелюлоза, протеїни, низькомолекулярні продукти розпаду).

По відношенню до загальної кількості гумусу вміст лігніну в 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 в 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 питній воді. Хоча після гідролізу в кислий розчин переходить значна частина азоту (у вигляді амінокислот і амідів), все ж таки 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 грунтах по відношенню до загальної кількості гумусу становить від 5% (в грунтах, що аеруються) до 15—20% (в грунтах, де розкладання відбувається в анаеробних умовах).

Шорії 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 грунту знаходиться у вигляді сполук, які при гідролізі не переходять у розчин, близько 30% у вигляді амінокислот, 10% азоту - у вигляді аміаку, решти 20% знаходиться в інших формах у розчині.

Вміст лейцину, ізолейцину та валіну по відношенню до загального азоту амінокислот становить33%, оксикарбонових

амінокислот-близько 20% і дикарбонових амінокислот - близько 25%. Аспарагінова, глютамінова та, можливо, оксиглютамінові кислоти становлять близько 50% дикарбонових амінокислот.

е. Рассел зазначав, що у грунті з органічних сполук фосфору зустрічаються фітин, сполуки нуклеїнової кислоти і нуклеотидів. 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 часу Лібіха вчені стверджують, що перегній ґрунту є безпосереднім джерелом мінеральних поживних речовин. Серед цих речовин, крім СО ₂ велике значення мають NH ₃  і нітрати, фосфати, сульфати та інші необхідні для харчування рослин мінеральні сполуки.

На чорноземах кількість СО ₂ , що виділяється, коливається від 15 до 77 кг/га за добу, а при розкладанні дернового шару лугового грунту - 20.0-240 кг/ га. Останнім часом показано, що вуглекислота ґрунту засвоюється кореневою системою рослин.

Дослідження багатьох вчених показали, що розкладання перегною на парових полях у підзолистому ґрунті зумовлює накопичення нітратів на час посіву в кількості 0,5—1 т, тоді як у чорноземах — до 2,5 т селітри на гектар.

Різні органічні сполуки, значна частина яких може утворитися в грунті як проміжні продукти розпаду, як, наприклад, креатинін, аргінін, гістидин, гуанідин, ксантин, гіпоксантин і нуклеїнова кислота, можуть засвоюватися рослинами замість нітратів і аміаку, цукру - як джерело. , лецитин і цистин - як джерела фосфору і сірки.

Вміст у ґрунті органічної речовини збільшується пропорційно надходженню в нерослинних залишків, але залежить від характеру надходження. Найважливішим джерелом органічної речовини в добре розораних грунтах є гній і 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 виданих таблиці 2.

Таблиця 2

Запаси органічної речовини у ґрунтах

Корінна задача землеробства полягає в раціональному використанні та регулюванні вмісту перегною в грунті шляхом обробки, чергування культур у сівозмінах, внесення гною та компостів, зеленого добрива, торфування, осушувальної та зрошувальної меліорації, застосування штучних органічних та органо-мінеральних добрив.

Обробіток ґрунту посилює розкладання перегною, що особливо помітно при вирощуванні просапних культур. Різні рослини збільшують вміст органічних речовин у ґрунті. Систематичне внесення гною або компостів помітно підвищує вміст перегною у ґрунті.

Органічна речовина ґрунту як джерело активаторів росту рослин

Всім відомо велике значення органічних речовин ґрунту як джерел зольного та вуглецевого живлення рослин.

В органічній частині ґрунту загальні запаси таких найважливіших елементів, як азот та фосфор, обчислюються тоннами на гектар. У метровому шарі підзолистих ґрунтів міститься близько 6 т/га, у лісостепових опідзолених ґрунтах – до 12, у чорноземах – до 24–35, у каштанових – до 10–15, у сіроземах до 7–10 т/га азоту. Кількість фосфорорганічних сполук у перерахунку на Р ₂ Про ₅ становить підзолистих грунтах близько0,5, а чорноземах — приблизно 1,5 т/га. Усе це слід розглядати як величезний резерв поживних речовин для рослин, який поступово мінералізуючись, повільно використовується ними. Однак значення органічних речовин у харчуванні рослин не може бути обмежене лише функцією резерву зольних елементів.

На підставі численних досліджень доведено, що у ґрунті містяться органічні речовини, які можуть брати участь у фізіолого-біохімічних процесах, пов'язаних із диханням, обміном речовин, засвоєнням елементів зольного живлення рослин, що позначається на зростанні, розвитку та продуктивності рослин. Серед цих органічних сполук слід зазначити важливе значення активаторів зростання. Органічна речовина ґрунту є джерелом активаторів росту рослин.

До цієї групи органічних сполук слід віднести вітаміни, ауксини та інші біотичні речовини (що надходять у ґрунт з кореневими виділеннями рослин, з органічними залишками тваринного та рослинного походження, з гною, різного роду компостами та у значних кількостях утворювані мікрофлорою ґрунти), антибіотики, біологічні активи , а також гумінову кислоту та гумати.

Наявність у ґрунтах різноманітних вітамінів. Вченими виявлені вітаміни аліфатичного ряду (наприклад, пантотенова кислота), ароматичного ряду (наприклад, альфа-амінобензойна кислота), різноманітні групи вітамінів гетероциклічного ряду (наприклад, нікотинова кислота, похідні піридину, тіамін, біотин, рибофлавін, фолієва). У орному шарі ґрунту на площі 1 га вітамінів міститься від кількох сотень грамів до кількох кілограмів.

Хоча рослинам притаманні властивості самостійного синтезу всіх необхідних вітамінів, встановлено позитивний вплив додаткового постачання рослин вітамінами через коріння або шляхом позакореневого підживлення, особливо в ранні періоди їх зростання.

До групи біотично активних речовин ґрунту відносяться ауксини, які посилюють ростові процеси та розвиток кореневої системи. Гетероауксин (бета-індолілоцтова кислота), що застосовується в садівництві та овочівництві для вкорінення живців і розсади і для прискорення дозрівання плодів, утворюється в ґрунті як продукт життєдіяльності різних ґрунтових мікроорганізмів.

У грунті містяться органічні речовини, що продукуються мікроорганізмами, що володіють властивостями антибіотиків (стрептоміцин, пеніцилін, тераміцин та ін.), які впливають на склад мікробних цінозів грунту, а при надходженні в рослини тривалий час зберігають свої властивості і можуть оберігати їх від захворювань. Відомо також, що пеніцилін, стрептоміцин та тераміцин впливають на пересування в рослині азоту, фосфору та калію.

Антибіотики вітаміни у незмінному вигляді надходять у рослини через кореневу систему та включаються до життєвих процесів обміну речовин.

Властивості біологічних активаторів мають багато органічних сполук індивідуальної природи, такі як амінокарбонові (зокрема, янтарна, фумарова) та інші кислоти. Передпосівна обробка насіння різних рослин слабкими концентраціями бурштинової та фумарової кислот надає позитивний вплив на енергію проростання, зростання коренів і надземних органів рослин, на величину і якість врожаю. Ця група абіотичних речовин органічних сполук є продуктами життєдіяльності багатьох груп ґрунтових мікроорганізмів і присутність їх у ґрунтах та у ґрунтових розчинах не викликає сумнівів. Про це свідчать результати дослідів, проведених нашими вченими, які показали, що добавка до живильного середовища водних культур на суміші Кнопа незначних кількостей ґрунтового розчину справила позитивний вплив на зростання ячменю та пшениці.

Нашими дослідженнями встановлено, що в кореневих залишках, як і в органічних добривах, є незначна кількість тіаміну — вітаміну. У ₁ який позитивно впливав зростання коренів у довжину.

Наявність у багатих на органічні речовини ґрунтах значної кількості мікроорганізмів та їх виділень зумовлює утворення в них органічних активаторів росту. У перегнійних речовинах на кожні 100 г багатого на органічні речовини грунту може міститися 980 мікрограм рибофлавіну, 15—30 мікрограм біотину, 15 мікрограм тіаміну, а на бідних на перегнійні речовини грунтах — лише 10—15 мікрограм рибофлавіну,1,5—2 0,06 мікрограма біотину.

Органічні добрива містять у своєму складі аневрин, біотин та різні амінокислоти, які здатні покращувати умови харчування рослин. Встановлено, що в компостах при їх дозріванні накопичуються фізіологічно активні речовини типу біотину, рибофлавіну, нейрину, пантотенової, фолієвої та нікотинової кислот, що значно підвищують їх якість та відіграють важливу роль у процесі харчування рослин.

Великий інтерес становлять численні дослідження фізіологічного значення для рослин групи власне гумінових речовин.

Гумінові речовини, виділені з торфів, копалин вугілля та ґрунтів у формі високодисперсних золів та справжніх розчинів, у малих дозах посилюють зростання вищих рослин.

Гумінові речовини активують зростання та розвиток коренів у рослин, особливо на ранніх фазах їх росту, а також впливають на фізико-хімічний стан протоплазми рослин.

Відзначено, що у присутності гумінових речовин підвищувалася проникність рослинних клітин, що сприяло посиленню надходження до рослин води та поживних речовин.

Як показали дослідження Христової, золі та розчини гумінових кислот у малих концентраціях активізували дихальний газообмін рослинних тканин ферментативних систем рослин, зокрема фенолазну, окисно-відновну систему ферментів дихання.

Христева зазначає, що гумінові сполуки можуть безпосередньо засвоювати рослинами через коріння.

Є також вказівки на те, що гуміновим речовинам належить важливе значення у забезпеченні рослин залізом, марганцем, міддю у вигляді хелатів.

У разі зрошуваного землеробства широко випробувані гумінові добрива, які дали обнадійливі результати підвищення врожаю різних сільськогосподарських культур.

Органічна речовина грунту та добрива як фактор поліпшення умови харчування рослин

Великим досягненням ґрунтознавства, агрохімії та фізіології рослин є створення радянськими вченими теорії вчення про ґрунтовий поглинаючий комплекс та його роль у харчуванні рослин. Ці дані використовуються для розробки систем хімічної меліорації, обробки ґрунтів, застосування добрив, диференційованої агротехніки, що підвищують родючість ґрунтів та врожайність сільськогосподарських рослин.

У 20-х роках поточного століття, коли формувалося вчення про поглинальні властивості ґрунтів, було встановлено, що колоїдні фракції є найбільш активною частиною ґрунтів, оскільки вони зумовлюють поглинання катіонів та аніонів солей із добрив, води, газів та інших речовин.

Продуктивність ґрунтів у сенсі використання. рослинами поживних речовин як тих, що містяться у ґрунті, так і внесених з добривами є функцією її поглинаючого комплексу. Внаслідок недосконалості методів дослідження первісне уявлення про поглинаючий комплекс було недостатньо точним.

Справа докорінно змінилася після того, як були розроблені рентгенографічний метод аналізу тонких фракцій, термографічний спосіб диференціальних кривих, електронографічний аналіз, методи інфрачервоної спектроскопії, мічених атомів та електронної мікроскопії.

До складу поглинаючого комплексу ґрунту входять мінеральна, органічна та органо-мінеральна частини.

Органічна частина ґрунтового поглинаючого комплексу є поєднанням високомолекулярних сполук. Вивчення останніми роками гумусових сполук за допомогою нових методів принесло багато цінного. Виявилося, що гумус є дуже складною полідисперсною системою, до складу якої входять, головним чином, вторинні органічні сполуки, що утворюються в ґрунті внаслідок розкладання залишків рослин і тварин та біосинтезу за участю мікроорганізмів. Здебільшого це високо-молекулярні, ароматичні, карбоксильні кислоти складного складу.

Гумінові кислоти є гетерополіконденсатами і мають активні карбоксильні групи (СООН), фенолгідроксильні групи (ОН), метоксильні групи (ОСН ₃ ), амінні (NH ₂ ) та інші.

У кожному ґрунті є як гумінові та фульвокислоти, так гумін. Кількість цих сполук у генетично різних ґрунтах різна. Так, у підзолистих ґрунтах гумінової кислоти міститься 15-25% від загального вмісту гумусу в шарі 0-20 см , фульвокислот -47% і нерозчинного залишку - 28%, тоді як у чорноземі звичайному при 6-10% гумусу - відповідно 40, 39 і 38%, а в червоноземі при вмісті 5-8% перегною - 15, 50 і 33%.

Гумінові та фульвокислоти характеризують ґрунтовий поглинаючий комплекс.

Доведено наявність сполук гумінових кислот з алюмінієм та залізом. Ці комплексні сполуки і є одним із видів органо-мінеральних сполук ґрунту. Але більш важливою є основна частина органо-мінеральних сполук, яка є поєднанням гумінових кислот з глинистими частинками ґрунту.

Якщо взяти до уваги будову та властивості мінералів ґрунту та гумінових кислот, то можна припускати утворення дуже стійких сполук гумінових кислот із мінералами групи монтморилоніту та менш стійких – з мінералами групи каолініту.

Застосування мікродобрив разом із мінеральними добривами в рядки і гнізда чи з органічними як компостів значно підвищує їх ефективність. Мінеральні добрива при поглинанні їх частинками мікродобрив використовуються рослинами, що сприяє спрямованому поліпшенню харчування різних сільськогосподарських культур.

Агрономами проводилися досліди у Черкаській та Кіровоградській області, які показали, що гній, з мікродобривами, значно підвищує врожай озимої пшениці та цукрових буряків: для компостування на кожні 2 т гною брали  2лга гуматакалію . При врожаї на контрольних полях зерна пшениці озимої 14—24 ц/га і цукрових буряків 274—287 ц/га компостований з додаванням гумату калію гній сприяв підвищенню врожаю зерна пшениці на 2,8—5,2 ц/га , а коренів буряку — на 18-26 ц/га при цьому вміст білка в зерні пшениці озимої підвищувалося на 1,5-2%, а цукристість коренів буряка - на 0,4-0,6 відсотка.

Щорічний облік урожаю за 4 роки показав, що від внесення до рядків мінеральних добрив спільно з 2л/га гумату калію врожай коренів цукрових буряків проти внесенням одних лише мінеральних добрив різних грунтах збільшувався загалом на 14—26 ц/га,  а цукристість — на 0,4—0,6%. Залежно від властивостей ґрунту та віддаленості від розташування покладів чистий дохід господарств від застосування гумату калію підвищувався з кожного гектара посіву цукрових буряків.

Природу дії, гумату калію давно вивчено нами у різних областях України.

Насамперед було встановлено, що гумат калію має значну поглинальну здатність та позитивно впливає на активність мікрофлори ґрунту, а також мікрофлори гною при його компостуванні. Сутність позитивної дії гумату калію на рослини полягала в його властивості поглинати мінеральні солі, зменшувати концентрацію ґрунтового розчину в місцях розташування насіння цукрових буряків та інших культур, що, у свою чергу, покращувало умови, підвищувало врожай та харчування рослин, а це покращувало якість сільськогосподарської. продукції.