688

Вкачестве примера приводим расчет образования гумуса за одну ротацию 7-мипольного полевого севооборота со следующей урожайностью побочной (корни, пожнивные остатки, солома, отава клевера) продукции: пар чистый – 0 т/га; озимая рожь – 5,0 т/га; яровая пшеница – 4,0 т/га; клевер 1 и 2 года пользования (отава +корни) – 2,0 т/га; ячмень – 3,5 т/га; овес – 3,5 т/га.

Всего выход органических веществ за ротацию составляет 18 т/га, в среднем за год – 2,25 т/га.

Почва дерново-подзолистая тяжелосуглинистая, исходное содержание гумуса в пахотном слое – 75 т/га. Гумификация соломы проходит слабее, чем корневой системы и пожнивных остатков и составляет около 10 %, в то время как коэффициент гумификации навоза составляет 20-25 %. Исходя из предлагаемой формулы, запас гумуса в почве через 8 лет составляет:

St = (75 + 0,1 × 18 × 7) × (1 – 0,1) = 87,6 × 0,9 = 78,8 т/га, то есть уве-

личиваются на 3,8 т/га.

При использовании соломы не на удобрение, а на другие цели пополнение запаса гумуса проходит незначительно, а иногда складывается отрицательный баланс. По данным С.И. Поповой (1981) для поддержания бездефицитного баланса в дерново-подзолистых почвах при отчуждении с полей соломы необходимо ежегодно в среднем вносить по 8-10 т/га органических удобрений в виде навоза или компостов в полевых и 12-15 т/га в севооборотах насыщенных пропашными культурами.

Процессы образования гумуса и минерализации его очень сложны и все предлагаемые методы расчета гумуса в почве носят предположительный характер. Д.Н. Прянишников (1963) отмечал, что там, где соблюдается чередование культур в севооборотах, где высеваются многолетние бобовые культуры и используются удобрения, происходит повышение эффективного плодородия почв при постоянном росте урожайности.

Внастоящее время в Нечернозѐмной зоне России в среднем около 85 % азота, отчуждаемого с урожаем основной и побочной продукции, происходит за счѐт органического вещества почвы и только небольшая часть (15 %) приходится на долю минеральных и органических удобрений, а также азота, поступающего с осадками, пожнивными остатками бобовых и за счѐт азотофиксации несимбиотическими бактериями.

Втаблице 3.5 приведено содержание гумуса и азота в пахотном слое почв Предуралья.

41

Таблица 3.5

Содержание гумуса и азота в пахотном слое почв Предуралья

*– содержание органического вещества

Содержание гумуса в дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах очень низкое (0,6-0,5 %), в тяжелых дерново-подзолистых почвах в 2-3 раза больше (1,8-3,6 %). Чем выше оподзоленность и ниже окультуренность почв, тем меньше в них гумуса.

В серых лесных почвах содержание гумуса возрастает от 3,1 % в светло-серых до 8 % в темно-серых. В оподзоленных черноземах Предуралья в сравнении с аналогами Европейской части России содержится больше гумуса – до 15 %, богаты гумусом аллювиально-дерновые (5-8 %) и дерново-луговые (8-15 %).

По существующей классификации (табл. 3.6) на территории области 22,2 % почв имеют очень низкое содержание гумуса, 59,1 % – низкое, 10,4 % –среднее, то есть около 81 % почв области за счет естественного плодородия не могут сформировать урожайность на уровне 2000-2500 кормовых единиц с га.

Таблица 3.6

Градации пахотных почв по степени гумусированности

Большое влияние на содержание гумуса оказывает степень окультуренности почвы. В результате окультуривания количество гумуса можно увеличить в 5 и более раз. Однако это можно достичь за длительное время – десятки и даже сотни лет. При окультуривании дерново-подзолистых почв происходят изменения отдельных групп гумусовых веществ и форм связи элементов в гуминовых и фульвокислотах, снижается количество воскосмол. По данным В.П. Дьякова (1998) в окультуренных дерновоподзолистых почвах Предуралья отношение углерода гуминовых кислот (Сг.к.) и углерода фульвокислот (Сф.к.) составляет 0,81:0,65. Входя в состав гумуса, гуминовые и фульвокислоты являются своеобразным поставщиком элементов питания для растений, они участвуют в разложении силикатов, апатита, фосфорита, переводят многие элементы минералов в доступное для растений состояние, в частности калий алюмо-и ферросиликатов. Гуматы гумуса при минерализации обеспечивают растения кальцием и магнием. На процессы минерализации негумифицированных остатков (стеблей, листьев, ботвы, корней и др.), вносимых органических удобрений оказывают доступ воздуха, влага почвы, температурный режим, кислотность и щелочность почвы. Минерализация интенсивно проходит при доступе воздуха, влажности 60 % от полной влагоѐмкости, температуре +25 С, рH почвы (солевая вытяжка) – 6,0-6,5.

При недостатке воздуха идут анаэробные процессы, при которых разложение органических веществ протекает очень медленно. Растительные остатки подвергаются своеобразной «консервации» и питательные вещества их остаются недоступными для растений длительный период. При умелом и грамотном использовании органических и минеральных удобрений, при соблюдении севооборотов, посеве зернобобовых и многолетних бобовых (клевер, люцерна и др.), известковании кислых почв, содержание гумуса возрастает. Главная роль в переводе негумифицированных остатков в гумус принадлежит микроорганизмам. Они разрушают растительные остатки при низкой и высокой температуре, однако при температуре 2228 С их активность в десятки-сотни раз выше, чем при температуре +2 С. В любой почве встречаются бактерии, простейшие грибы, водоросли. Чем выше окультуренность, тем больше микроорганизмов и меньше грибов, водорослей. По данным Е.Н. Мишустина (1956) в 1 г почвы может насчитываться 100 и более тысяч микроорганизмов, их микробная масса составляет 5-7 т на одном гектаре, а общая поверхность микроорганизмов на 1 га составляет 500 - 600 га (табл. 3.7).

Органические соединения в растительных остатках разлагаются с неодинаковой скоростью. Быстрее разлагается под воздействием микроорганизмов сахар, крахмал, аминокислоты и медленнее – клетчатка, гемицеллюлоза. Очень медленно разлагаются смолы, лигнин, воск. Смолы и лигнин

43

в больших количествах содержатся в отходах деревоперерабатывающей промышленности (коре, опиле, щепе), а также в торфе. Без внесения навоза, навозной жижи, фекалия отходы деревоперерабатывающей промышленности в почве могут находиться в неизменном состоянии десятки лет. В Пермском крае огромные скопления отходов бумажных комбинатов. Их количество исчисляется миллионами тонн. Из-за слабой минерализации, содержания большого количества смол, ядовитых продуктов анаэробного разложения эти отходы не нашли применения в качестве удобрения.

Таблица 3.7

Количество и групповой состав микроорганизмов в почвах

Валовое содержание азота в почве находится в прямой зависимости от количества гумуса. Минимальное содержание его в песчаных и супесчаных почвах (0,06 %), максимальное в черноземах оподзоленных (0,7 %) и торфяных (1,5 %) (см. табл. 3.5).

Минеральная часть почвы

Минеральная часть почвы представлена продуктами разрушения горных пород и комплексом многочисленных химических элементов. Около 90 % общей массы минеральной части приходится на кислород, кремний

иалюминий, около 10 % на долю железа, калия, кальция, магния, водорода, фосфора, марганца, серы и др. На все остальные элементы приходится око-

ло 0,5 % (табл. 3.8).

Впочвах встречаются первичные и вторичные минералы. К первичным минералам относят кварц, полевой шпат, роговую обманку, слюду, магнетит, доломит и др. На долю кварца приходится от 60 до 90 %. Первичные минералы перешли в почву из земной коры в неизменном состоянии. Вторичные минералы возникли из первичных в результате химических

ибиохимических превращений. В почвах вторичные минералы находятся в виде кристаллов, они мелкодисперсны, обладают большой поверхностью и высокой поглотительной способностью. Вторичные минералы разделяют на четыре группы: монтмориллонитовые (монтмориллонит, бейделит, нонтронит и др.), гидрослюды и минералы полуторных окислов (гематит, белит,

44

гидрагаллит, гетит и др.). В результате выветривания таких первичных минералов, как полевой шпат (К2Al2SiO16), мусковит (H2KАl3Si3O12), биотит

(Н, К)2 × (Mg,Fe) × (Al,Fе)2 × (SiO4)2, нефелин (Nа, К)2ОАl2O3 × 2SiO2) ,

лейцит (К2Al2Sl4О12) и других, образуются вторичные минералы, которые являются ближайшим резервом в образовании доступных форм калия почвы. В процессе выветривания происходит измельчение минералов, а с уменьшением почвенных частиц с 2 до 0,01 мм снижается содержание группы полевых шпатов и возрастает содержание глинистых минералов.

Таблица 3.8

Содержание химических элементов в почвах и литосфере, %, (Виноградов А.П.,1952)

В материнских горных породах (как осадочных, так и изверженных) фосфор входит во фторопатит Са5F(PO4)3 и в небольшом количестве входит в состав полуторных окислов Аl(PO4)3, Fe(PO4)3. В процессе выветривания горных пород постепенно происходит частичное разрушение первичных фосфорсодержащих минералов с освобождением фосфорной кислоты и образованием вторичных фосфатов в форме различных минеральных соединений. Содержание валового фосфора в меньшей степени зависит от содержания гумуса и в большей степени от материнских пород. Считается, что в высокогумусных почвах 30-40 % фосфора почвы содержится в органической форме.

Содержание калия зависит от минералогического и гранулометрического состава почвы: меньше его в легких и больше в тяжелых. Растения усваивают калий на 70 % из тонкодисперсных фракций гидробиотита и гидромусковита.

Валовое содержание фосфора и калия в почвах Предуралья приведено в таблице 3.9. В основных типах почв тяжелого гранулометрического состава валовое содержание калия составляет 48000 - 70000 кг/га, то есть значительно больше, чем азота и фосфора. Высокое содержание валового калия в почвах Предуралья обусловлено материнскими породами, которые состоят из первичных и вторичных минералов, содержащих большое количество калия.

45

Таблица 3.9

Валовое содержание фосфора и калия в пахотном слое почв Предуралья, кг/га

Дерново-подзолистые песчаные, супесчаные и легкосуглинистые разной степени оподзоленности

Дерново-подзолистые глинистые, тяжело - и среднесуглинистые разной степени оподзоленности

В составе почв имеются карбонаты кальция (СаСО3) и магния (МgCO3), содержание их может достигать нескольких процентов от общей массы почвы. Кальций и магний в питании растений принимают самое активное участие, однако усваиваться могут только подвижные (обменнопоглощенные формы).

Высокое содержание валовых форм азота, фосфора и калия в почвах не означает, что растения не нуждаются в этих элементах. Об обеспеченности растений тем или иным питательным элементом судят по количеству подвижных форм, определяемых в водной вытяжке или в вытяжках слабых растворов кислот и солей.

3.2.3 Основные физико-химические свойства почв и их значение для применения удобрений

Поглотительная способность почв

Выдающиеся заслуги в изучении поглотительной способности почв принадлежат К.К. Гедройцу (1872-1932). Его по праву считают основателем учения о поглотительной способности почв. Он предложил выделять следующие виды поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.

Механическое поглощение – это способность почвы как пористого тела, задерживать крупные частицы из воздуха и фильтрующихся вод, подобно фильтру. Благодаря такому поглощению в верхних горизонтах удерживаются частички извести, фосфоритной муки, гипса, минеральных удобрений,

46

коллоидные фракции самой почвы, живые и мертвые микроорганизмы. Способность почв к поглощению таких частиц зависит от гранулометрического состава, структуры и их сложения. Механическое поглощение песчаных и супесчаных почв намного слабее, чем глинистых и суглинистых.

Физическая поглотительная способность. Это способность погло-

щать (положительная адсорбция) или отталкивать (отрицательная) целые молекулы растворимых солей. В том случае, если молекулы растворимой соли притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды (растворителя), то такое поглощение называется положительным и, наоборот, если сильнее притягивается вода – отрицательная поглотительная способность. Между частицами почвы и удобрений образуется водное пространство. Физическое поглощение приходится учитывать при внесении удобрений, содержащих нитраты, хлориды и сульфаты. Они не закрепляются почвой и легко подвижны. Азот нитратов, внесенный с осени может легко вымываться в подпахотные горизонты и становится менее доступным. Подвижность нитратов изучал профессор В.И. Никитишин. Он обнаружил, что при промерзании почвы в зимнее время нитраты способны подниматься весной к поверхности почвы вместе с водой с глубины двух метров.

В условиях Предуралья на дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах нитраты удобрений в осенне-зимнее время и весной при таянии снега опускаются на глубину 80 см, при подсыхании верхнего слоя они могут подниматься по капиллярам в верхние слои. Это необходимо учитывать при внесении разных форм азотных удобрений, их превращения в почве, критические периоды потребления азота растениями.

Известно, что хлор для некоторых культур является токсичным элементом, поэтому, внося хлорсодержащие удобрения с осени, мы можем благодаря отрицательной физической поглотительной способности почв избавиться от него.

Физико-химическая поглотительная способность. Это способ-

ность почвы поглощать катионы почвенного раствора путем эквивалентного обмена на одноименно заряженные катионы почвенно-поглощающего комплекса самой почвы. Поглощать (адсорбировать) катионы солей могут мелкодисперсные (коллоидные) частицы, как минеральной части почвы, так и органической, то есть частицы меньше 0,2 мк. Такой вид поглощения называют также обменным. Коллоидные частицы почвы несут на своей поверхности в основном отрицательный заряд, поэтому из почвенного раствора они притягивают к себе положительно заряженные катионы. Реакция обмена катионов удобрений катионами почвенно-поглощающего комплекса может быть представлена следующей схемой:

ППК)СаНМg + 5КСl = ППК)5К + СаСl2 + МgCl2 + HCl

Анионы имеют отрицательный заряд, поэтому адсорбироваться не могут. Реакции обмена между катионами ППК и почвенного раствора обратимы, протекают в эквивалентных количествах, скорость реакции обмена велика и проходит всего за 3-5 минут с момента внесения водорастворимых

47

солей. Поглощенные катионы после их вытеснения в почвенный раствор служат источником питания растений. Благодаря этой поглотительной способности, удобрения, содержащие питательный элемент в форме катиона, можно вносить заблаговременно, не опасаясь за его вымывание из пахотного слоя. К таким удобрениям относятся хлористый калий (КСl), сернокислый калий (К2SО4), сульфат аммония [(NН4)2SО4], хлористый аммоний (NН4Сl), мочевина [СО(NН2)2] и др.

К.К. Гедройцем установлено, что энергия обменного поглощения и закрепления катионов в ППК возрастает с увеличением их валентности, а в пределах одной валентности – с увеличением атомной массы. По возрастающей способности к поглощению катионы располагаются в следующем

порядке:

Na+ < NH4+ < K+ < Mg++ < Ca++ < Al+++ < Fe+++

В данном ряду рассматриваются лишь те катионы, которые имеют первостепенное значение в питании растений.

Химическая поглотительная способность. Это способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования нерастворимых или труднорастворимых солей в результате химических реакций. Например, при внесении суперфосфата (хорошо растворимого удобрения) в почву, содержащего бикарбонат кальция, образуются двух- и трехзамещенные фосфаты кальция – нерастворимые в воде соли:

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 = 2СаНРО4 + 2Н2СО3 Са(Н2РО4)2 + 2Са(НСО3)2 = Са3(РО4)2 + 4Н2СО3

Так образуются нерастворимые соли в почвенном растворе. Одновременно водорастворимые соли, содержащие фосфор, в почве могут химически поглощаться и при взаимодействии их с катионами ППК:

ППК)Са + Са(Н2РО4)2 → ППК)2Н+ + 2СаНРО4 ППК)2Са + Са(Н2РО4)2 → ППК)4Н+ + Са3(РО4)2

В кислых дерново-подзолистых почвах, содержащих большое количество подвижных железа и алюминия, поглощение фосфорной кислоты суперфосфата происходит с образованием трехзамещенных фосфатов этих катионов, нерастворимых в воде:

Аl(ОН)3 + Н3РО4 = АlРО4 + 3Н2О Са(Н2РО4)2 + 2АlСl3 = 2Аl РО4 + СаСl2 + 4 НСl

АlСl3 + Н3РО4 = АlРО4 + 3НСl Fе(ОН)3 + Н3РО4 = FеРО4 + 3Н2О FеСl3 + Н3РО4 = FеРО4 + 3НСl

Са(Н2РО4)2 + 2 FеСl3 = 2FеРО4 + СаСl2 + 4 НСl

Химическое поглощение фосфорной кислоты в нейтральных, щелочных и кислых почвах обуславливает закрепление фосфора и слабую его по-

48

движность, снижая доступность его для растений. Избежать или устранить химическое поглощение фосфорной кислоты не удается. На дерновоподзолистых произвесткованных почвах большая часть фосфора связывается до двухзамещенного фосфата кальция (СаНРО4), соединения более доступного растениям, чем трехзамещенные фосфаты алюминия и железа. Анионы фосфорной кислоты с одновалентными катионами образуют хорошо растворимые в воде соли К2НРО4, (NН4)2НРО4, NаН2РО4, КН2РО4, (NН4)3РО4, NаН2РО4 и другие. Фосфор таких солей хорошо усваивается растениями.

Химическое поглощение фосфатов называют ретроградацией. В почве наряду с ретроградацией происходит противоположный процесс – мобилизация фосфатов, то есть перевод фосфатов из труднодоступного состояния в доступное. Мобилизация может происходить при взаимодействии нерастворимых фосфатов с угольной и азотной кислотами, последняя в достаточно больших количествах находится в паровых полях. В дерновоподзолистых окультуренных почвах учхоза Пермской СХА за летний период накапливается 60-70 кг азота нитратов, что приравнивается к 2 ц аммонийной селитры. Угольная кислота присутствует во всех типах почв, концентрация ее непостоянна и зависит от количества влаги в почве, плотности почвы, вида выращиваемых растений и других факторов.

Образование воднорастворимой фосфорной соли в присутствии азотной кислоты, образующейся в процессе нитрификации, происходит по следующему уравнению:

4НNО3 + Са3(РО4)2 = 2Са(NО3)2 + Са(Н2РО4)2

Процесс этот хорошо выражен в полях, занятых чистыми парами, где образуется максимальное количество азотной кислоты, которая переводит трехзамещенные фосфаты кальция в двух и однозамещенные.

Биологическая поглотительная способность. Способность почвы накапливать в результате деятельности растений и микроорганизмов почвы органическое вещество, содержащее азот и зольные элементы, называется биологической поглотительной способностью почвы. Особенностью процесса поглощения растениями и потребления микроорганизмами минеральных веществ является избирательная способность, то есть способность их усваивать из внешней среды только те элементы, которые необходимы растениям для синтеза органических веществ, а микроорганизмам для размножения и существования. Благодаря биологической поглотительной способности корневая система бобовых и некоторых других культур способна усваивать фосфор, кальций и магний из глубоких слоев почвы и переносить их в верхние, а после отмирания корневой системы эти элементы становятся доступными для других культур.

49

К биологической поглотительной способности также относится азотфиксация клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с корневой системой бобовых культур, а также деятельность свободноживущих в почве азотфиксирующих микроорганизмов. Эти бактерии хорошо развиваются в почвах с нейтральной реакцией среды и с достаточно высоким содержанием кальция, магния и фосфора. Некоторая часть питательных элементов удобрений, вносимых в почву, потребляется микроорганизмами, после отмирания их они снова становятся доступными и включаются в биологические и физико-химические процессы, происходящие в почве и растениях.

Кроме азотфиксирующих микроорганизмов, в почве живет множество видов и ассоциаций бактерий, участвующих в переводе труднодоступных органических и минеральных соединений в подвижное и доступное состояние.

Значение деятельности микроорганизмов в почве очень большое, знание об их природе, условиях развития и жизни позволяет регулировать биологические процессы в почве с целью повышения плодородия почв и создания оптимальных условий питания растений. Оптимальными условиями для микроорганизмов являются: хорошая аэрация, нейтральная или близко к нейтральной среда, достаточно высокое содержание органического вещества, благоприятная температура и влажность почвы. На дерновоподзолистых и серых лесных почвах Предуралья такие условия создаются известкованием, внесением органических удобрений, прежде всего, навоза, своевременной и качественной обработкой почвы.

Емкость катионного обмена и состав поглощенных катионов

Количество катионов почвенно-поглощающего комплекса, способных к обмену называют емкостью катионного обмена (ЕКО) или емкостью поглощения; она выражается в миллиграмм-эквивалентах в 100 г почвы. Величина емкости поглощения складывается из всех поглощенных катионов: кальция, магния, натрия, калия, водорода, алюминия и др. В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са2+, второе место занимает Mg2+ и в значительно меньших количествах находятся К+ и NH4+. Сумма Са2+ и Mg2+ обычно составляет около 90 % общего количества об- менно-поглощенных катионов. В кислых дерново-подзолистых почвах значительная часть почвенно-поглощающего комплекса насыщена водородом и алюминием, которые вызывают кислотность почвы, а в солонцах и солонцеватых натрием, который обуславливает щелочность.

50