Обработка почвы, обеспеченность растений элементами минерального питания и процесс гумусообразования

агрономия

_______________________________________________________________________________________

Размещено на http://www.allbest.ru/

_______________________________________________________________________________________

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2010.-№2.

54

Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

Курский филиал РГТЭУ

Обработка почвы, обеспеченность растений элементами минерального питания и процесс гумусообразования

Картамышев Николай Иванович, заведующий кафедрой земледелия, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, тел. 58-31-18

Тимонов Владимир Юрьевич, агроном исследователь по оценке, адаптации и внедрению нетрадиционных технологий, кандидат сельскохозяйственных наук, тел. 59-54-50 Чернышева Наталья Михайловна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель

Балабанов Сергей Семенович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

Шамин Денис Викторович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель

Аннотация

В работе представлена различная интенсивность протекания процесса накопления элементов питания и гумуса в зависимости от способов и глубины обработки почвы. Показана роль различных почвенных микроорганизмов, в т.ч. беспозвоночных животных и самих растений в гумусообразовании.

Ключевые слова: бактерии, дождевые черви, степная растительность, луговая растительность, биомасса, гумус, биологическая активность, элементы питания.

Обработка почвы в первую очередь влияет на условия роста и развития растений, а затем на урожайность сельскохозяйственных культур. Причем это влияние многогранно и порой противоречиво.

Исследованиями Миненко (1981), Торжевского В. и Грабака Н. (1983), Кошкарова Г. (1978) установлено, что при отвальной обработке (вспашке) численность микроорганизмов увеличивается, причем по мере углубления пахотного слоя, биологическая активность обрабатываемых слоев почвы возрастает. Об этом свидетельствуют исследования Манилова (1978), Сидорова М.И. и Мухортова С. (1982) [1], Михновского А. (1983), Мухамеджанова М., Султанова З. и Абдуалаева C. (1976), Дука В. и Кулько К. (1976), Оглезневой В.В. (1978), Рамазанова Р. (1977), Титова Г. (1976), Берендеева А., Бурлака Б. и Ручицина Н. (1979), Миненко А., Калмыковой А. и Седовой М. (1978), Яценко В., Дудкиной А. и Пилюгина В. (1977).

Усиление микробиологической деятельности с увеличением глубины отвальной обработки приводит к увеличению обеспеченности растений элементами питания. В опытах Лядова Н. (1979), Кирдина В. и Щепилова Ю. (1979) углубление вспашки способствовало увеличению содержания нитратов, обменного калия, подвижного фосфора. Последствие глубоких, обработок, по данным Саранина К., Коноваловой Н., Корнеева Ю. (1978), Алексеева Ю., Смирнова А., Тресвятской С. (1979) прослеживается 2-3 и даже 5 лет. При плоскорезных обработках снижается развитие нитрифицирующих и целлюлозоразлагающих бактерий (Тихомирова Л., Святская Л., 1978) [2]., а процесс разложения клетчатки замедляется (Мухутдинов М., 1975). В результате интенсивность процесса нитрификации на почвах, обрабатываемых безотвально, по данным Шикулы И. и Гнатенко А., (1983), Палецкой Г. и Азиева А. (1976), Мухутдинова М. (1977), Фоминой В. (1979), Кузина В. И Корчагина В. (1976), Равенского Л. и Охинько И. (1982) и других снижается, а эффективность азотных удобрений, по выводам Киселя В. (1981), Коренева Н., Ломакина М., Ереминой Р. (1976) и других повышается.

Наряду с некоторым ухудшением азотного режима питания растений, при безотвальных обработках может снижаться в пахотном слое содержание фосфатов (Михайлова М., 1980). Длительное применение поверхностных безотвальных обработок по выводам Старовойтова Н. (1981) и Титова Г. (1978) приводит к уменьшению обменного калия и подвижного фосфора. Мульчирование же поверхности по свидетельству Михалаке И. (1976) приводит к некоторому улучшению калийного режима. То есть способы обработки почвы приводят к дифференциации обрабатываемого слоя ее, причем наиболее интенсивно проходит она с поверхности почвы, т.е. при безотвальных обработках (Стручалин М., Салид Д., 1978, Беляев Н., 1980). Все изложенное свидетельствует о том, что замена вспашки безотвальной обработкой и уменьшение глубины рыхления приводит к сокращению численности микробного населения и снижению биологической активности верхнего слоя, почвы. В этом плане, процесс минимализации, по выражению Муромцева Г. (1978) [2], следует считать прогрессивным, т.к. способствует экономному расходованию органической части почвы - гумуса. Подтверждением более интенсивной минерализации гумуса при отвальной обработке могут служить исследования Редькина Н. и Сидоренко В. (1978), Зайцевой А.А. (1968), Олифера В. (1980), Гулидовой В. (1980), Унгуряна В. (1983), Данилова Е. и Синицина (1977), Гриценко В., Лыкова А. и Вьюгина С. (1977), Джамаля Б., Горбачева А. и Дзюбинского Н. (1982), Лебедевой И. (1980), Комиссарова И. (1978), Лысака Г. (1975), Татошина И. (1981) и др.

Глубокая отвальная обработка, по данным Шкурикова П. и Переднева М. (1976), увеличивает газообмен и, следовательно, ускоряет «сгорание» гумуса. В связи с этим, ежегодная глубокая вспашка увеличивала количество пылевых частиц в слое 20-40 см за счет сброшенной на дно борозды распыленной почвы из верхней части пахотного слоя (Пестряков А., 1981). Периодический отказ от вспашки и полная замена ее безотвальной обработкой, по данным Мухаметдинова Ф. (1979), Орищенко Я. и Знобищева В. (1977), Пивоварова Г. и Лазарчина В. (1977), Кузнецовой И., не ухудшает физических свойств почвы.

Доспехов Б., Васильев И., Полев Н. (1978), Заруба М. (1979), Чобану С. и Константинов Я. (1979) пришли к выводу, что способы обработки почвы существенно не влияют на физические свойства обрабатываемого слоя её.

Изложенное свидетельствует о двойственном характере обработки почвы. С одной стороны глубокая (не менее 20 см) отвальная обработка почвы улучшает обеспечение растений элементами минерального питания, т.е. усиливает процесс минерализации органического вещества почвы за счет действия аэробных бактерий, а с другой - мелкая мульчирующая обработка улучшает жизнедеятельность почвенных беспозвоночных животных, которые активно участвуют в создании гумуса. Таким образом, обработка почвы, с одной стороны, активизирует процесс минерализации, а с другой - тормозит или даже полностью исключает процесс гумусообразования. Эту двойственность В.Р. Вильямс видел и объяснял не качеством обработки почвы, а самими растениями, произрастающими на обрабатываемом участке до начала обработок. Все растения он делил на степные, т.е. все однолетние и луговые - многолетние травы. Вот, по В.Р. Вильямсу из степной растительной формации гумус образовываться не может, а при луговой растительной формации может эффективно протекать. На самом деле это не так. В.Р. Вильямс подчеркивал, что корневая система растений в схеме представляет конус, обращенный вершиной вниз. Число разветвлений увеличивается с глубиной. Длина корня и его разветвления беспрерывно увеличиваются с глубиной по схеме конуса, обращенного вершиной вверх. Масса корневой системы откладывается по обратной схеме: она наибольшая у поверхности и беспрерывно уменьшается книзу по схеме конуса, обращенного вершиной вниз (Вильямс В.Р., 1947). При этом, давая общую схему накопления органической массы в почве, он не делал различия между степной и луговой растительными формациями, т.е. всякие растения независимо от формации, рода, вида и т.д. в равной мере и по одной схеме участвуют в формировании органической массы в почве. Так обстоит дело при жизни растений, а после их отмирания характер разложения (трансформации) массы корневой системы обязательно будет разным (по Вильямсу), в зависимости от типа растительной формации. Корневая система степной травянистой растительности обязательно должна подвергнуться аэробному процессу и полностью разложиться. Впервые несостоятельность такого вывода и заключение о возможности участия в гумусообразовании однолетних культур была высказана Т.С. Мальцевым (1983). Всегда ли однолетние растения полностью минерализуются, минуя фазу гумификации? По мнению Картамышева Н.И. (1985) такое может быть в двух случаях:

-если после уборки однолетних растений (или их отмирания) в условиях недостатка влаги, почва сразу обрабатывается - пашется на глубину не менее 20 см. При этом создаются отличные условия для аэробиозиса и масса корней растений действительно «сгорает» в течение нескольких недель;

-если после уборки однолетних растений поле вообще не обрабатывается. При этом почва, лишенная растительного покрова, быстро пересыхает, растрескивается, в ней образуются крупные и глубокие трещины. Этим создаются условия для интенсивного развития аэробиозиса и полной минерализации свежеотложенного органического вещества [4].

Однако, оба эти способа содержания поля даже с точки зрении формирования урожая нецелесообразны, т.к. в первом и во втором случае почва в условиях недостатка осадков может потерять практически всю усвояемую влагу. Избежать этих отрицательных процессов можно в том случае, если на поверхности почвы, сразу после уборки однолетней культуры создать мульчирующий слой толщиной 4-6 см. Из растительных остатков (стерни, соломы) или из растительных остатков и почвы, измельченной до мелкокомковатого состояния, т.е. сразу после уборки однолетней культуры поверхность почвы обработать - разрыхлить на глубину 4-6 см до мелкокомковатого состояния. И в дальнейшем, до наступления зимы, этот верхний 4-6 см слой из растительных остатков и почвы, содержать в рыхлом состоянии. При этом рыхлый мульчирующий слой будет надежно защищать почву от потерь влаги. Плотная почва, лишенная глубокой обработки, содержит мало воздуха, в ней отсутствуют условия для интенсивного аэробного процесса, следовательно, возможно накопление гумуса и органических остатков и при культуре однолетних трав. То есть суть не в типе растительной формации, а в способе обработки почвы.

Что же касается луговой растительной формации (в т.ч. многолетних трав) и ее качественного признака - накапливать гумус в почве, то и здесь первостепенную роль играет обработка. Несвоевременным глубоким и интенсивным рыхлением можно в несколько недель «сжечь» органику, накопленную в почве многолетними травами. Этим обоснован яростный протест В.Р. Вильямса против размещения озимых культур по многолетним травам после первого укоса. Не признавая другого способа обработки почвы, кроме вспашки и понимая пагубную роль ранней глубокой вспашки, он рекомендовал использовать многолетние травы как предшественник яровых культур. гумус почва микроорганизм

А что значит предложение В.Р. Вильямса использовать многолетние травы два-три (и более) года? Это значит исключить ежегодную вспашку, прерывать ее на 2-3 (и более) года. Это значит прерывать аэробный и создать анаэробный процесс на длительное время и этим вернуть почве утраченное плодородие - минерализованный в процессе обработки гумус. То есть и здесь видно, что первопричина в накоплении гумуса в почве не особые качественные свойства луговой растительной формации, а те условия, которые созданы способом и режимом обработки почвы.

Признавая целесообразность и неизбежность ежегодной глубокой (не менее 20 см) вспашки во взаимодействии системы «обработка - растения» В.Р. Вильямс представил одну часть системы - обработку в положении окостенелого шаблона, поэтому другая часть системы - растения, в т.ч. луговой растительной формации, как бы ни была гибка, не могла, в условиях интенсификации земледелия, обеспечить решение задачи - накопления в почве гумуса. Эта задача может быть решена, как было показано выше, при условии мобильности обеих составных частей системы «обработка - растения», т.е. при дифференцированном определении способа обработки почвы с учетом особенностей культуры и условий ведения хозяйства.

Наиболее слабой стороной теории обработки почвы по заключению Картамышева Н.И. (1985, 2006) явилась недооценка роли почвенных беспозвоночных животных в гумусообразовании. Но это не столько вина создателей теории, сколько отражение действительности того периода, в котором она создавалась.

Несмотря на то, что еще в 1837 году Ч. Дарвиным впервые была высказана мысль о создании гумуса дождевыми червями, а в 1881 г. им опубликован труд, в котором он изложил результаты своих многолетних опытов и показал, что дождевые черви, пропуская растительные остатки через кишечник, перерабатывает их не только механически, но и химически и создают особые гумусовые вещества. Роль беспозвоночных животных в гумусообразовании оставалась незамеченной до 30-40 гг. двадцатого столетия и только с 1958 г. вопросы почвенной зоологии «прорвали» границы государства (Рабочев И.С., Вуколов H.C., 1983).

На первостепенное значение и активнейшее влияние почвенных беспозвоночных в гумусообразовании указывают косвенные и прямые факты.

К первым можно отнести то, что возрастание численности крупных сапрофагов и всех почвенных беспозвоночных в целом сопровождается повышением содержания гумуса в почве. Средняя биомасса почвенных беспозвоночных под ненарушенной естественной растительностью возрастает от зоны тундр к широколиственным лесам и спадает от нее к пустыне.

К тому же существует довольно четкая корреляция между численностью (биомассой) крупных беспозвоночных и запасом гумуса в зональных типах почв.

Меньший запас гумуса в тундровых почвах является следствием того, что из-за низких температур там отсутствуют многие группы важных агентов разложения, а численность других почвообразователей очень низка. По мере передвижения от тундры к черноземам лесостепи все более повышается температура, прибавляются группы и виды действенных агентов разложения, увеличивается численность соответствующих микроорганизмов. Это приводит к тому, что растительные остатки разлагаются все быстрее, процесс образования гумуса ускоряется, улучшаются его качества, утолщается его слой, и возрастают запасы.

К югу от лесостепной зоны температуры сами по себе перестают оказывать влияние, значение приобретает влажность почвы. Биомасса сапрофагов и их роль все более снижается и к пустынным почвам постепенно падают запасы гумуса (Курчева Г.Ф., 1973) [5].

В основе зональных изменений роли почвенных животных (сапрофагов и фитофагов) в преобразовании органических веществ лежат закономерности зональных изменений зоомассы, совпадающие в общих чертах с закономерностями изменений гидротермического режима и фитомассы.

Доказательством первого порядка являются эксперименты, проведенные Г.Ф. Курчевой с группой сотрудников в дубовом лесу, которые показали, что при исключении беспозвоночных нафталином из процесса разложения оно проходит очень замедленно. За 140 дней при благоприятной погоде под влиянием одних грибов и бактерий разложилось всего лишь 9 % весеннего опада дуба, а там, где они в ходе естественного разложения действовали вместе с почвенными животными - 55 %.

В сухие годы (1959, I960) в те же сроки бактериально-грибное разложение по скорости изменялось лишь незначительно (на десятые доли процента), а естественно в присутствии сапрофагов замедлялось в 1,5 раза. Причиной этому - уменьшение числа сапрофагов в подстилке, вызванное неблагоприятными условиями влажности.

В целом, за год, разложение весеннего опада дуба проходит примерно в 3 раза быстрее при участии почвенных животных, чем без них; а за теплый период года в 3-6 раз. Примерно таково же соотношение влияния беспозвоночных на разложение и осеннего опада, как в сухие, так и влажные годы.

К этому следует добавить, что в почвах с мулем (наилучший тип перегноя) многочисленные крупные сапрофаги: моллюски, энхитреиды, дождевые черви, многоножки, мокрицы и личинки насекомых. При этом дождевые черви довольно часто составляют подавляющее большинство среди крупных сапрофагов, иногда вовсе вытесняя последних (Курчева Г.Ф., 1973).

Первостепенную роль почвенных беспозвоночных животных, в первую очередь сапрофагов, в гумусообразовании Курчева Г.Ф. объясняет тем, что сапрофаги способны поедать растительные остатки во всех стадиях разложения и в любом виде: отмершие травы, плоды, цветы, листья деревьев и даже древесину. Одни и те же группы или виды беспозвоночных с одинаковым успехом потребляют любой опад, какой представлен в их расположение в тех местах, где они обитают. Почвенные беспозвоночные животные осуществляют свою жизнедеятельность в подстилке, на поверхности почвы и в почве; составляют подавляющее большинство (99,8 % по численности и биомассе) среди представителей почвенной фауны.

Наряду с этим почвенные беспозвоночные стимулируют деятельность микроорганизмов, а некоторые из них сами не только продуцируют энзим целлюлазу, но и обходятся без бактерий при превращении клетчатки (Курчева Г.Ф, 1973). Эти качества делают их основным фактором (средством) превращения (трансформации) органического вещества почвы. Свидетельством тому, что эти превращения заканчиваются образованием гумуса, может служить тот факт, что почвенные сапрофаги продуцируют ферменты полифенолоксидазы, играющие важнейшую роль в гумусообразовании (Курчева Г.Ф., 1973).

Подтверждением первостепенной роли почвенных беспозвоночных в гумусообразовании служат исследования М.М. Кононовой, которая подчеркивала, что ни один из абиотических факторов, взятый в отдельности, а также все эти факторы, взятые в совокупности, не могут обеспечить процесс гумификации, если будет исключена деятельность микроорганизмов и животных и что только за счет деятельности разнообразных представителей микрофлоры, а также работы микроскопических и макроскопических животных, перерабатывающих органические остатки, следует отнести весь процесс гумификации (Кононова М.М., 1963).

Подтверждением активной роли почвенных беспозвоночных в процессе накопления гумуса служит вывод Мишустина Е.Н. о том, что гумусообразование энергичнее протекает в верхних слоях почвы, а не в глубоких (Мишустин Е.Н., 1975) [6].

Факт превращения 10 % подвижного азота в менее доступную форму в результате жизнедеятельности дождевых червей, наблюдаемый в опытах Abott J, Parker C. (1981) свидетельствуют об активном участии их в процессе гумусообразования.

В опытах Lacyde H. (1977) дождевые черви способствовали проникновению влаги в почву; вносили вглубь почвы органический материал, известь и удобрения; улучшали аэрацию почвы, создавая почвенную структуру для развития корневых систем. Черви, перерабатывая органический материал, повышали плодородие почвы [7].

Анализ биологических особенностей и условий активной деятельности почвенных беспозвоночных животных объясняет невысокую активность их в обрабатываемых почвах и причины интенсивного разрушения органического вещества в этих условиях.

Наиболее важным фактором, оказывающим непосредственное влияние на жизнедеятельность почвенных беспозвоночных животных, является температура и влажность среды. Для различных почвенных сапрофагов верхняя граница оптимальной температуры находится преимущественно в пределах 15-30°, а для микроорганизмов она равна 35°.

Для большинства сапрофагов оптимальная относительная влажность воздуха, которым они дышат, лежит в пределах от 90 до 100 %. микроорганизмы, участвующие в процессах превращения органических веществ, могут проявлять активность при влажности, приближающейся к максимальной гигроскопичности и способны усваивать влагу, малодоступную высшим растениям. Оптимальная влажность для большинства микроорганизмов колеблется в границах от 60 до 80 % от полевой влагоемкости.

Период развития и жизнедеятельности сапрофагов при влажной и прохладной погоде в весенне-летний период очень сильно затягивается, а при более сухой и теплой погоде проходит значительно быстрее.

Почвенные сапрофаги, особенно дождевые черви, энхитреиды и клещи очень быстро реагируют на изменение влажности. Как только дождь смачивает сухую подстилку, эти животные тотчас: же появляются в ней. При высыхании подстилки они покидают ее, располагаясь у самой поверхности почвы до очередного дождя. Только при сильном высыхании верхнего слоя почвы животные уходят в нее поглубже.

В целом микроорганизмы, по сравнению с почвенными животными, могут перерабатывать органические остатки не только при более низкой температуре, позволяющей быть им довольно активными и зимой, но и при значительно более низкой (чем для почвенных животных) влажности летом (Деревянко Р., Бацула А., Чесняк Г., 1983).

Эти особенности условий развития микроорганизмов и почвенных животных обуславливают, на обрабатываемых почвах, возможность деятельности микроорганизмов (разрушителей гумуса) в течение всего года, а почвенных беспозвоночных животных (созидателей) - в течение нескольких недель, максимум месяцев. В результате в обрабатываемых почвах процесс минерализации гумуса, вызываемой вспашкой, не компенсируется процессом гумификации, процессом накопления гумуса даже при периодическом внесении навоза, т.е. система «накопление-разрушение» идет с преобладанием последней. И это опять-таки объясняется не только качественной характеристикой этих двух больших групп почвенной фауны, а главным образом условиями их жизнедеятельности, определяемыми способом и режимом обработки. Всем хорошо известна роль мульчи. Под ее покровом даже в самые засушливые периоды года почва остается относительно влажной. В то же время, даже в годы с хорошей увлажненностью, глубокая некачественная вспашка приводит к пересыханию почвы на глубину 30-50 см и более.

Только этот пример, рассматриваемый с учетом биологических особенностей почвенных беспозвоночных животных, свидетельствует о реальной возможности регулирования численности и жизнедеятельности их, и, следовательно, о реальной возможности регулирования процесса гумусообразования.

Рассматривая процесс разрушения и накопления гумуса в единстве, можно образно заключить, что растения и их остатки - это строительный материал, почвенные беспозвоночные животные и микроорганизмы - это строители, а обработка - это комфорт, от которого зависит направление процесса и «производительность» строителей (Картамышев Н.И., Бардунова И.Т., 1985).

Рассматривая слагаемые процесса «разрушение-накопление» в почвах обрабатываемых и в естественных условиях (целина) нетрудно заметить, что они в обоих случаях одни и те же, но в первом случае преобладает разрушение, а во втором накопление. Поскольку «строительный материал и строители» в антропогенных и природных условиях одинаковы, причину разрушения следует искать в несовершенстве обработки почвы. То есть и здесь мы видим теоретическую и практическую несостоятельность существующей системы обработки почвы. Она не направлена на улучшение условий жизнедеятельности основных представителей почвенной фауны, наиболее активно и производительно участвующих в гумусообразовании.

Резюме

В современных условиях в период достаточно высокого уровня производства минеральных удобрении, главной задачей обработки почвы следует считать не увеличение содержания в корнеобитаемом слое почвы подвижных форм элементов минерального питания (эффективного плодородия), а увеличения содержания гумуса (потенциального плодородия).

Список использованных источников

1. Сидоров, М. Биологическая активность почвы при различных способах и глубине основной обработки / М. Сидоров, С. Мухортов // Доклады ВACXHИЛ.-1982.-№7.-С. 20-21.

2. Тихомирова, Л. Микрофлора почвы при разных ее обработках. Обработка черноземных почв и их плодородие / Л. Тихомирова, Л. Святская // Бюлл. научно-техн. информации СибНИИСХ, 1978.-38.-С. 3-6.

3. Муромцев, Г.С. Интенсификация земледелия и задачи микробиологии / Г.С. Муромцев // Проблемы земледелия.- М.: Колос, 1978.-C. 140-150.

4. Картамышев Н.И. Роль обработки, культурных растений и почвенной фауны в гумусообразовании / Н.И. Картамышев, И.Т. Бардунова // Сельскохозяйственная биология.-1985.-№6.-С.39-45.

5. Курчева, Г.Ф. Роль животных в почвообразовании/Г.Ф. Курчева. - М.: Знание, 1973. - C. 3-63.

6. Мишустин, Е.Н. Ассоциация почвенных микроорганизмов/Е.Н. Мишустин. -М.: Наука, 1975.-С. 18-33.

7. Lacy de Н. Putting new life in wormless soil // N.Z. Farmer.-1977.-№13.-P. 20-22.

Размещено на Allbest.ru