Факторы плодородия почвы

Лекция 3.

Тема -  Факторы плодородия почвы

План

1. Почва и растение – единое целое.

2. Биологические факторы плодородия.

Для жизни растений требуются пять факторов: тепло, свет, вода, пища и воздух. Поэтому главным качеством почвы является ее способность удовлетворять потребности растений в воде, пище, обеспечивать их корневые системы доста­точным количеством воздуха, тепла и благоприятной средой для нормального роста и развития. Плодородие почвы формируется как в результате развития естественного почвообразовательного процесса, так и в результате сельско­хозяйственного использования.

Различают факторы и условия почвенного плодородия. К первым относятся биологические, водные, воздушные, тепловые и пищевые режимы - необходимые земные факторы жизни и роста растений. Ко вторым - совокупность физических, физико-химических свойств и режимов почв, взаимодействие которых опреде­ляет возможность обеспечения растений земными факторами.

Уровень плодородия зависит от конкретных показателей физико-химических, биохимических, температурных, водно-воздушных, солевых и окислительно-вос­становительных почвенных режимов. В свою очередь, режимы определяются кли­матическими условиями, агрофизическими свойствами почв, их механическим, минералогическим и химическим составом, потенциальным запасом элементов питания, содержанием, составом и запасом гумуса, интенсивностью микробиоло­гических процессов, реакцией и другими физико-химическими свойствами.

Показатели свойств и режимов изменяются во времени и зависят от сезон­ных циклов почвооборазования, приемов воздействия на почву и длительнос­ти ее сельскохозяйственного использования.

Рекомендуемые материалы

Плодородие почв учитывают при проектировании севооборотов, планирова­нии системы обработки почвы, системы удобрений и разработке систем зем­леделия.

Биологические факторы плодородия

Почва и растение - единое целое. Несмотря на первичность по от­ношению к урожаю, почва в значительной мере обязана растению. Функция почвы - обеспечение растения водой, азотом и зольными элементами, кислородом и углекислым газом. В результате жизнедеятельности растений и животных происходит накопление органических остатков и гумуса, элементов минерального питания и органоминеральных соединений. Вместе с эволюцией растительного мира развивается и усложняется почвообразовательный процесс, а почва постепенно, но неуклонно повышает свое плодородие. Экологические системы выработали способность к саморегуляции и самовоспроизводству.

В противоположность естественным устойчивым многовидовым раститель­ным сообществам на пашне выращивают одновидовые или многовидовые сообщества культурных растений. Время взаимодействий растений с почвой резко сок­ращается. В результате снижается устойчивость и продуктивность биологичес­кого круговорота. На пахотных почвах 50-60 % органического вещества отчуж­дается с урожаем безвозвратно. Источником органического вещества являются наземные послеуборочные остатки растений, а также вносимые в почву орга­нические удобрения.

В интенсивном земледелии особенно велико агрономическое значение растительных остатков. Они ежегодно удобряют почву после уборки урожая, в то время как органические удобрения вносят в почву периодически. На их внесение требуются дополнительные затраты. Растительные остатки распределяются в почве равномерно, в них содержится макро- и микроэлементы, необходимые растениям и животным.

Растительные остатки делят на две группы: пожнивные и корневые. Пожнивные остатки включают стерню злаков, листья, части стеблей, корневые шейки растений люцерны и все другие надземные части, которые остаются в поле после уборки урожая. Корневые остатки растений представлены корнями, корневищами, сохранившимися живыми или отмершими к моменту уборки. Корни растений, разветвляясь, контактируют с почвенными частицами и равномерно распределяются, образуют структурные агрегаты и распределяют органическое вещество.

Полевые растения развивают различную корневую систему по массе, по глубине проникновения, по-разному влияют на плодородие почвы.

По количеству корней и пожнивных остатков основные полевые культуры существенно различаются (табл. 1).

В полях севооборота количество органических остатков колеблется от 26,3 до 163 ц/га. Максимум отмечается после многолетних трав, особенно после люцерны. Наименьшее количество органического вещества остается в почве после гороха. Такое действие обуславливается биологическими особенностями растений.

Люцерна взаимодействует с почвой два и более лет. Формируется мощная корневая система. В почве остается 133 ц/га корней. После эспарцета корневых остатков 48,9 ц/га.

На развитие корней оказывают влияние условия выращивания. Чем менее благоприятные условия увлажнения, тем больше проникающая вглубь корневая система.

Кукуруза на силос, несмотря на короткий период вегетации, формирует так­же большую корневую систему. Она растет и развивается в самые жаркие лет­ние месяцы. После нее в почве остается 41,1 ц/га корней.

Озимая пшеница, овсяно-гороховая смесь имеют поверхностную корневую систему, после уборки ее масса меньше и соответственно составляет 28,7 и 27,6 ц/га. Однако наименьшая корневая система и ее масса у гороха. Эта культура отличается коротким периодом вегетации и относительно устойчивой влаголюбивостью.

Аналогичная картина складывается по пожнивным остаткам. Их количество после многолетних – 30,3 ц/га, что по сравнению с однолетними культурами в 3-5 раз больше.

По количеству оставляемых после уборки растительных остатков полевые культуры можно разделить на три группы.

Первую группу составляют многолетние бобовые травы, оставляющие в почве наибольшее количество органического вещества. Более сильное действие их на плодородие почвы объясняется способностью фиксировать азот воздуха.

Вторую группу представляют зерновые культуры. После уборки озимых и яровых культур в среднем остается 40,7-52,3 ц/га растительных остатков.

В третью группу входят зернобобовые, картофель, сахарная свекла, которые оставляют в почве после уборки наименьшее количество растительных остатков.

В питании растений важное значение имеет не только количество растительных остатков, но и химический состав и скорость разложения в почве. Растительные остатки многолетних трав содержат больше элементов питания. В корневых остатках содержится азота 2,25-2,6 %, фосфора - 0,34-0,8 %. В корнях бобово-злаковых смесей количество азота снижается до 0,91%. Злаковые травы содержат значительно меньше азота в корневых и поукосных остатках.

По содержанию азота в растительных остатках возделываемые культуры делят на две группы: с малым содержанием азота в послеуброчных остатках и повышенным его содержанием в корневых и пожнивных остатках. Первая группа представлена такими культурами как озимая пшеница, ячмень, овес, другие культуры, а вторая состоит из люцерны, эспарцета, гороха, сои, чины, свеклы, кукурузы.

В зависимости от соотношения углерода и азота в растительных остатках изменяется скорость разложения. При соотношении больше, чем 20:1, разложение замедляется.

В почве после озимой пшеницы ингибируются аммонификация и нитрификация. На полуразложенных остатках соломы поселяются представители грибной микрофлоры, выделяющие отравляющие токсичные вещества. Растительные остатки люцерны, гороха, эспарцета быстро разлагаются и высвобождают питательные вещества. Чем меньше послеуборочных остатков перед севом озимой пшеницы, тем больше в почве накапливается азота (табл. 2).

Таблица 2

Количество растительных остатков и нитратов в почве перед севом озимой пшеницы по предшественникам

После пара, гороха растительных остатков в почве значительно меньше, чем после ячменя. Однако содержание нитратов в 2-3 раза больше. После ячменя растительных остатков больше на 17,0-31,6 ц/га, чем в почве по пару и после гороха. После ячменя в почве происходит накопление растительных остатков вследствие замедления их разложения. Возделываемые по­сле него культуры будут испытывать азотное голодание. В то же время как по гороху и на парах обеспеченность азотом высокая.

Скорость разложения растительных остатков в почве изменяется в зависимости от вида пара (табл. 3).

Таблица 3

Количество растительных остатков и  скорость разложения в почве в зависимости от вида пара

На сидеральных парах запаханные свежие зеленые растения разлагаются значительно быстрее, чем на парах черных. На последних растительных остатков в это время меньше в 2 - 4 раза. Количество растительных остатков на сидеральных парах 92,7-107,9, занятых - 47,2 и черных - 27,8 ц/га. В течение трех месяцев с момента запашки сидератов на черных парах разложилось 2,1 ц/га. Перед севом озимой пшеницы на всех парах количество растительных остатков выравнива­ется и колеблется от 25,7 до 37,5 ц/га. В то же время на сидеральных парах запаханные в почву растительные остатки разлагаются быстро. Количество разложившейся массы составляет соответственно 70,4 и 60,8 ц/га. На занятых парах, где растительные остатки представлены в основном корнями, количество разложившейся массы меньше в 3-5 раз и составляет 14,2 и 19,3 ц/га. При этом в растительных остатках сидератов и занятых паров содержание азота, фосфора и калия существенно отличается, что влияет на плодородие почвы. На сидеральных парах накапливается азота больше, чем на чистых парах. На занятых парах содержание азота также меньше по срав­нение с сидеральными на 18-19 мг/кг почвы.

Корни и стерневые остатки растений после отмирания разлагаются в результате деятельности микроорганизмов почвы. Ход и скорость разложения изменяется не только от химического состава растительных остатков, но и внешней среды: влажности, температуры, рН почвы, аэрации и питательных веществ.

Превращение первичного органического вещества в почве происходит в несколько этапов. Первый этап - химическое взаимодействие отдельных химических веществ отмершего растения. Второй этап - механическая подготовка и перемешивание почвы с растительными остатками с помощью почвенной фауны. На третьем этапе происходит в первую очередь минерализация органического вещества с помощью микроорганизмов, конечным продуктом которой является СО₂, Н₂О, нитраты, фосфаты, в анаэробных условиях Н₂S и СН₄, а также низкомолекулярные органические кислоты.

Часть продуктов первичного органического вещества превращается в гумусовые вещества в результате гумификации. Гумусовые вещества – это особая группа высокомолекулярных соединений. Их принято подразделять на три основные группы: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины. Исключительно важная роль гумусовых веществ в формировании почвы основана на их способности взаимодействовать с минеральной частью почвы. При взаимодействии с глинными минералами образуются органо-минеральные соединения в почве. В результате повышается устойчивость связанного в них органического вещества к микробиологическому расщеплению и тем самым обеспечивается оптимальное состояние свойств почв. Особенности образования и режима гумусовых веществ определяют формирование гумусового профиля. В гумусовом горизонте накапливаются элементы питания растений, почва приобретает водопрочную структуру, оптимальную порозность.

Рекомендуем посмотреть лекцию "16 Признаки и фазность абстинентного синдрома при злоупотреблении снотворными".

В процессе интенсификации земледелия роль органического вещества почвы, ее гумусового состояния усиливаются. Если в условиях экстенсивного типа земледелия органическое вещество почвы служило основным источником питания растения, то на современном уровне развития земледелия оно определяет экологические пределы интенсификации. Обеспеченность почв органическим веществом определяет возможность минимализации обработки почвы, сокращение энергетических затрат, повышает устойчивость земледелия. По мере интенсификации земледелия утрачивается связь содержания гумуса с урожайностью. Представление о прямой связи содержания гумуса с урожайностью культур является устаревшим. Нельзя превращать воспроизводство гумуса  в самоцель безотносительно к продуктивности культур и экономике производства. В этой связи следует прежде всего изучить особенности содержания гумуса в почвах различных зон края и ландшафтов при их сельскохозяйственном использовании. В должной мере оценить характер поступления в почву растительных остатков, их количественный состав и условия превращения. Свежие органические остатки и промежуточные продукты распада – это наиболее доступная разложению микроорганизмами часть органического вещества.

Динамика поступления свежих органических веществ зависит от возделывания сельскохозяйственных культур. Если годовая продуктивность засушливых степей и луговых степей колеблется от 15 до 20 т/га сухой массы, то в агроценозах соответственно – 10 и 12 т/га. С урожаем зерна, соломы отчуждается половина сухой массы. Следовательно, поступление растительных остатков в почву в севооборотах сокращается в 3 раза. Это, безусловно, не может не приводить к потерям гумуса, которые по многочисленным данным составляют для пахотного слоя 20-30 %. После распашки целины содержание гумуса интенсивно снижается в первые 10-15 лет, а в дальнейшем этот процесс замедляется вследствие приближения к новому уровню стабилизации. Среднегодовые потери гумуса в пахотном слое южного чернозема в зернопаровом севообороте без удобрений в первое десятилетие составили 1 т/га, во второе 0,5 т/га; в третье – 0,4 т/га. Потери гумуса возрастают от многолетних трав к зерновым – пропашным и пару. На парах потери достигают 1-2 т/га в год и сопровождаются накоплением нитратов в почвогрунтах до 2-5 м и грунтовых водах.

Максимальные потери гумуса наблюдаются на солонцах, используемых без мелиорации. Ежегодно обрабатываемые, они дают низкие урожаи при избыточной минерализации гумуса.

Если биологические потери происходят в результате усиления минерализации и сокращения поступления в почву растительных остатков, то более значительные потери гумуса – в условиях эрозии и дефляции. Даже при уклонах 2-3° потери гумуса в пахотном слое выщелоченных черноземов от эрозии составили 18-41 % за 50-130 лет, что в 3-6 раз больше, чем на равнинах.

Сокращение запасов гумуса в почвах определяет необходимость добиваться максимального возвращения растительных остатков, навоза, соломы, сидератов, минимализации обработки почвы. Оптимизация гумусового состояния должна осуществляться всеми звеньями систем земледелия – соотношением угодий, структурой посевов и пара в севооборотах, посевом многолетних трав, системой обработки почвы, противоэрозионной организацией территории, применением органических и минеральных удобрений. Однако, первоочередная задача – регулирование количества и качества легкоразлагаемого органического вещества.

Системы земледелия должны быть построены таким образом, чтобы воспроизводство гумуса в почвах не требовало специальных затрат и являлось следствием мероприятий, направленных на повышение продуктивности агроценозов и защиту почв от деградации.