Процессы трансформации органического вещества в почвах различных биогеоценозов агроценозов

Совокупность процессов трансформации органических веществ в почвах составляет процесс гумусообразования, который включа­ет формирование и эволюцию гумусового профиля (органопрофиля) почв. В число процессов входят: разложение поступающих в почву органических веществ, их минерализация и гумификация, минерализация гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция органо-минеральных соединений.

Разложение (распад) поступающих в почву источников гумуса осуществляется микрофлорой и фауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления, восстановления и др. В результате образуются промежуточные продукты разложения (аминокислоты, олигосахариды, уроновые кислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др.), которые в дальнейшем могут частично минерализоваться, частично гумифицироваться.

Гумификация - образование высокомолекулярных азотсодержащих гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса, по Л. Н. Александровой, являются кислото-образование, формирование азотной части молекулы, фракционирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот, окисление, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация, взаимодействие с минеральной частью почвы.

На первых этапах разложения источников гумуса и гумификации формируются промежуточные продукты и новообразованные гумусовые вещества, не связанные с минеральной частью почвы, детрит. В результате взаимодействия органических веществ с минеральной частью почвы образуются органо-минеральные производные (гетерополярные соли, комплексно-гетерополярные соли, адсорбционные комплексы). Со временем происходит старение органо-минеральных соединений—сложный биохимический процесс, в результате которого увеличивается устойчивость к микробиологическому разложению и растворению. Природа и механизм его изучены недостаточно. Термин «гумусонакопление» обозначает процесс, приводящий к увеличению содержания гумуса в почвах. Он характерен для стадии формирования гумусового профиля, не достигшего квазиравновесного состояния и сочетается с процессом обновления гумуса (разложение «старого» и образование «нового»).

Для почв, достигших климаксно-равновесного состояния, существует предельная величина накопления гумуса, характерная для каждого почвенного индивидуума. Условия среды определяют количественные и качественные стороны проявления этого процесса и соответственно гумусовое состояние почв, т. е. содержание, запасы, состав и свойства гумусовых веществ в профиле почв.

К оптимальным для образования гуминовых кислот относятся следую­щие условия:

- нейтральная и близкая к нейтральной реакция среды;

- умеренная биологическая активность и длительный период ее;

- насыщенность среды кальцием, магнием и азотом;

- благоприятный биохимический состав источников гумуса с узким отношением С к N;

- отсутствие повышенных концентраций пептизаторов.

К оптимальным условиям для прочно закрепления и накопления гуминовых кислот относятся:

- высокая величина удельной поверхности минеральной части почв;

- наличие свободной от гумуса поверхности минеральной части почв;

- насыщенность ППК кальцием и магнием (наличие их избытка для связывания гуминовых кислот);

- контрастность режима влажности (включая аэрацию и ОВ-условия).

При сочетании оптимальных условий образования и закрепления гуминовых кислот в процессе формирования гумусового горизонта коэффициенты гумификации повышаются, что способствует накоплению гуминовых кислот и гумуса в целом и формированию почв с высоким потенциальным плодородием. Такие условия складываются в черноземных почвах, в генезисе которых ведущая роль принадлежит гумусоаккумулятивному процессу, связанному с воздействием лугово-степной и степной травянистой растительности. Превращение органических веществ в них идет по типу гумификации с образованием мощного гумусового профиля с гуматным или фульватно-гуматным типом гумуса и значительным накоплением продуктов предгумусовой фракции в форме детрита.

Противоположные условия складываются в таёжной зоне в подзолистых почвах. Бедный основаниями и азотом опад таёжных (преимущественно хвойно-моховых) лесов, умеренно холодный климат с достаточным (а в отдельные периоды избыточным) увлажнением, промывной тип водного режима, недостаточные аэрация и микробиологическая активность, кислая реакция среды и преобладание кислых пород - комплекс условий, определяющих превращение органических веществ по типу образования фульватного гумуса, частичной консервации на поверхности в виде подстилки и значительного образования водорастворимых органических соединений неспецифической природы при трансформации опада.

В условиях переувлажнения в таежно-лесной зоне в полугидроморфных почвах (болотно-подзолистых, дерново-глеевых) с усилением анаэробиозиса замедляется темп круговорота органического вещества, сильнее проявляется грубогумусность, развивается торфообразование. Характер гумификации и состав образующихся гумусовых веществ в большой мере зависит от минерализации (жесткости) почвенно-грунтовых вод. При мягких (кислых) водах образуются слабоконденсированные формы гумусовых веществ, при жестких водах образуется гумус с более высоким содержанием гуминовых кислот.

В болотных почвах ярко выражен процесс консервации полуразложившихся растительных остатков, накапливающихся в виде органических торфяных горизонтов, и постоянное образование водорастворимых органических веществ.

Неблагоприятное влияние на процесс гумусообразования и состав гумуса оказывает засоленность и солонцеватость почв. Гумус солонцов отличается от несолонцеватых почв высокой подвижностью, более узким отношением гуминовых кислот к фульвокислотам, более слабой конденсированностью гуминовых кислот, повышенной их дисперсностью и гидрофильностью. Отмеченные особенности гумуса усиливаются по мере возрастания степени солонцеватости почв. Решающая роль в формировании свойств гумуса почв под влиянием солонцового процесса, по мнению боль­шинства исследователей, принадлежит диспергирующей роли обменного натрия, щелочной реакции воздействию водорастворимых солей (проявлению солончакового процесса). Высокопептизированные гидрофильные соединения в составе гумуса поддерживают и усиливают присущие солонцовым почвам неблагоприятные физические свойства.

Поступление органического вещества в почву в агроценозах

В отличие от биогеоценозов, у которых вся годовая продукция поступает в почву, в агроценозах часть продукции отчуждается с урожаем. Уровень продукции и продукционно-деструкционные процессы в агроценозах весьма отличны от природных экосистем.

Рассмотрим продукцию некоторых зерновых агроценозов в зональном аспекте. Она складывается из следующих составляющих:

Продукция агроценозов.Чистая первичная продукция зернового агроценоза складывается из следующих составляющих: запаса надземной и подземной фитомассы культуры и сорняков в момент уборки урожая; отмерших корней и выпавших из посева побегов и целых растений культуры; отмерших и осыпавшихся на почву листьев культуры, осыпавшихся семян сорняков и зерен культуры; количества вещества, отчужденного травоядными насекомыми, корневых выделений. Из-за методических трудностей не учитываются потери органического вещества из надземной фитомассы в процессе выщелачивания осадками и из корней с эксудатами, с отшелушивающимися частицами и отмершими клетками.

Первичная продукция агроценозов зависит от выращиваемой культуры климатических и погодных условий, применяемой технологии. Так, на черноземах украинской луговой степи продукция озимой пшеницы составляет 13,5; гороха - 6,1; овса - 9,4 т/га в год (табл...). Средняя продукция разных агроценозов в подзоне южной тайги (озимая рожь, ячмень, овес, картофель) составляет 9,6 т/га в год, в лесостепной зоне Восточной Европы (озимая и яровая пшеница, ячмень) - 12,6 т/га в год, в лесостепной зоне Западной Сибири (яровая пшеница без удобрений и с удобрениями) - 9,9 и 12,0 т/га в год, в степной зоне Казахстана (яровая пшеница) - 10,7 т/га в год. В зависимости от погодных условий продукция агроценоза пшеницы (Западная Сибирь, Бараба, без удобрений) варьировала в течение 5 лет от 6,8 до 14,0 т/га в год [85]. При трех вариантах технологий, различающихся уровнями применения удобрений, средств защиты растений и ретардантов, продукция агроценозов яровой пшеницы составляла 11,1; 14,5 и 19,1 т/га в год

Продукция и поступление растительных остатков в почву в природных экосистемах и агроценозах (АГЦ)

Примечание. При выносе соломы с полей, но при разной высоте ее среза

Таким образом, чистая первичная продукция агроценозов меняется в пределах 6 - 20 т/га в год (табл. 1). На количество продукции наиболее влияют применение удобрений и погодные условия. Количество продукции связано с уровнем урожайности, однако эта зависимость непрямолинейна. В агроценозах яровой пшеницы (Западная Сибирь, Зауралье, Казахстан) количество первичной продукции в среднем составляет: при урожае ниже 20 ц/га - 7,7 т/га в год, 20- 30 ц/га - 11,5 т/га в год, 30 - 40 ц/га - 12,3 т/га в год, >40 ц/га (интенсивные технологии) - 15,7 т/га в год.

Разница в продукции между природными экосистемами и агроценозами возрастает при переходе от лесной зоны к степной. Как уже указывалось выше, продукция лесов южнотаежной подзоны варьирует от 8 до 16 т/га в год, продукция агроценозов — от 8 до 12 т/га в год соответственно. Следовательно, южнотаежные экосистемы при трансформации лесов в агроценозы не меняют уровня продукции. В лесостепной зоне количество продукции луговой абсолютно заповедной степи, сенокосной степи и агроценоза яровой пшеницы составляло в один и тот же год 17,3; 15,2; 12,8 т/га соответственно [6]. В разные годы в данном регионе продукция варьирует в разных агроценозах от 7,3 до 20,5 т/га в год, в луговой степи — от 15,5 до 33,7 т/га в год. В Западной Сибири продукция луговых степей — 24,5 т/га в год, агроценоза яровой пшеницы - 9,9 (без удобрений) и 12,0 т/га в год (с удобрениями) (табл. ). Таким образом, луговые степи при распашке замещаются агроценозами, которые продуцируют меньше органического вещества, чем их предшественники.

В засушливой степи Казахстана продукция достигает 20,8 т/га в год. Распашка целины и посев яровой пшеницы приводят к снижению продукции до 10,7 т/га в год, а при расчете на ротацию (три поля пшеницы — пар) - до 8,2 т/га в год.

Следовательно, разница в продукции между естественными экосистемами и агроценозами практически отсутствует в южнотаежной зоне Восточной Европы, составляет 5 т/га в год в лесостепной зоне на Русской равнине и достигает 10 - 15 т/га в год в лесостепной и степной зонах Западной Сибири и Казахстана. Необходимо при этом отметить, что такое значительное превышение количества органического вещества, продуцируемого ежегодно в степях, по сравнению с агроценозами обусловлено интенсивным приростом корней степных растений.

С урожаем зерна и соломы отчуждается около 50% продукции зерновых культур. Отчуждение в лесостепной и степной зонах составляет в среднем 5,8 т/га в год для ячменя, 7,5 т/га в год для озимой пшеницы, 5,7 т/га в год для яровой пшеницы, выращиваемой при обычной технологии, 6,8 - 9,9 т/га в год для яровой пшеницы при интенсивной технологии возделывания.

Количество растительного вещества, равное разности между количеством продукции и отчуждения, поступает в почву в течение вегетационного сезона и после уборки урожая с корневыми и пожнивными остатками. Поступление растительных остатков в почву агроценозов варьирует очень широко: от 2,8 до 11,9 т/га в год.

В табл….. представлены грубо усредненные данные первичной продукции в естественных фитоценозах и дерновых агроценозах по природным подзонам.

Определенный вклад в построение органического вещества в почву вносят микроорганизмы и органические удобрения.