Несмотря на то, что агрегатная структура почвы как фактор плодородия является объектом почвенных исследований еще со второй половины XIX столетия, вплоть до настоящего времени в сельскохозяйственной и природоохранной практике не уделяется должного внимания этому фундаментальному свойству, определяющему в значительной мере не только эффективность земледелия, но и устойчивое функционирование агроэкосистем.
Это связано с тем, что агрегатная структура почвы определяет все процессы жизнеобеспечения растений и микроорганизмов: водный, воздушный и питательный режимы, скорость биогеохимических процессов. С другой стороны, физические, химические, биологические, физико–механические процессы существенно влияют на структурное состояние почвы. Следовательно, познание механизмов структурообразования и самоорганизации почв как биокосных систем открывает возможность целенаправленного агротехнического воздействия с целью оптимизации почвенных режимов.
Общепризнанно, что структура почвы – важнейший показатель плодородия почвы. При этом считается, что культурная, плодородная почва – это структурная почва. Более того, доминирует мнение, что основу плодородия составляет связь между содержанием в почве органического вещества с образованием агрономически ценных агрегатов. В этом смысле агрегаты как уникальная форма организации материи являются главным свойством почвы не только с генетической, производственной, агрономической точки зрения, но и экологической, биосферной. Это отражается в почвенно–генетическом определении структуры, согласно которой структура – это пространственная организация твердого вещества почвы, обусловленная взаимодействием твердой, жидкой, газообразной и живой фаз, обеспечивающая функционирование почвы как экологической среды и объекта технологических воздействий и определяющая ее специфическое морфологическое строение (Шеин, 2005).
Уникальное природное образование, придающее почве специфическую форму структурной иерархической организации и лежащее в основе всех почвенных функций, — почвенный агрегат – имеет пространственную организацию, где главную роль „клеящих веществ” выполняют гумусовые вещества (ГВ) или такие структурообразующие катионы, как Са, Al, Fe (цит. Шеин, Милаповский, 2014). Минеральный каркас в большинстве случаев представлен элементарными минеральными частицами (зерна кварца, полевых шпатов и проч.). Так и сформирован почвенный агрегат: первичные минеральные частицы соединены друг с другом „клеящими веществами” различной природы. Это строение агрегатов можно считать неоспоримым фундаментальным фактом почвоведения (Воронин, 1984). В этом смысле З.А. Артемьева с соавторами (2009) считают, что процессы формирования микроагрегатов и гумусообразования в почве тесно связаны между собой, причем эта связь не однонаправленная.
Однозначно установлено, что стабильность микроагрегатов зависит от количества аккумулированного в них гумуса. Можно предположить, что начало гумусообразования сопряжено с началом формирования крупных микроагрегатов. Следовательно, процессы стабилизации почвенной массы и гумификации тесно связаны между собой по принципу обратной связи, т.е. взаимообязятельны и взаимозависимы. На это указывал еще В.Р. Вильямс (1947) который ставил акцент на роль биологического фактора в оструктуривании почв. Он подчеркивал значение, во–первых, корневых систем растений как макрофактора образования зернистой структуры, а также роль «свежего» органического вещества, которое образуется в анаэробных условиях и является продуктом метаболизма жизнедеятельности анаэробных бактерий. По предположению цитируемого автора, зоны анаэробиозиса локализуются внутри почвенных агрегатов, а на их поверхности идут аэробные процессы. Впоследствии это предположение В.Р. Вильямса было доказано. Согласно концептуальной модели иерархии агрегатов, исходные минеральные элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) связываются с органическим веществом бактериального или грибного происхождения, а также с растительными остатками, в результате чего формируются микроагрегаты.
Последние, в свою очередь, взаимодействуя друг с другом, формируют макроагрегаты (Jigău și coaut., 2019). Развитие концептуальной модели иерархии агрегатов выявило ряд взаимосвязей между структурой почвы, а также качеством и количеством органического вещества.
В этом контексте Б.М. Когут с соавт. (2012) устанавливают ряд закономерностей: — деградация структуры почвы идет последовательно: макроагрегаты разрушаются до микроагрегатов, которые, в свою очередь, распадаются до ЭПЧ, причем весь процесс можно рассматривать как увеличение диспергирующей энергии, приложенной к почве; — содержание органического углерода в агрегатах возрастает при увеличении их размера (класса); — макроагрегаты содержат микроагрегаты плюс скрепляющее органическое вещество; — недавно образованное лабильное органическое вещество содержится больше в макро-, чем в микроагрегатах.
Перечисленные факты указывают на то, что генезис агрегатов связан с количеством и со свойствами гумусовых веществ. При этом основываясь на концепцию о приоритетной роле свежего органического вещества в структурообразовании перед сельскохозяйственными практиками открывается широкий спектр биологических методов по управлению гумусообразовательными и структурообразовательными процессами. Однако до настоящего времени вопрос о физико–химических свойствах, происхождении и механизмах структурообразования с участием «свежего» органического вещества (по В.Р. Вильямсу) так и остается до конца не изученным. В этом плане в настоящее время наиболее приемлемой является концепция, развитая в работах Е.В. Шеина, Е.Ю. Милановского (2014), основанная на восприятии гумусовых веществ как многокомпонентной системы – смеси некоторого количества дискретных состояний. Органические вещества, из которых в результате гумификации образуются гумусовые вещества имеют исключительно биологическое происхождение. Большинство биологических молекул являются амфифильными соединениями, т.е. способными проявлять как гидрофильные, так и гидрофобные свойства. Соотношение гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле обусловливает ее растворимость и миграционную способность. Гидрофильнные вещества более подвижны и вымываются по почвенному профилю и не способствуют образованию прочных структурных агрегатов.
Гидрофобные гумусовые вещества, напротив, практически нерастворимы, поэтому они способствуют образованию прочных агрегатов. Вместе с тем эта группа веществ легко подвергается процессам биологического разложения. В условиях, когда в почвах снижается интенсивность процессов образования гидрофобных гумусовых веществ, устанавливается тенденция интенсивной деструктуризации. Исходя из этого можно заключить, что улучшение и оптимизация структурного состояния почв должны основываться на интенсификации процессов гумификации с образованием свежих гумусовых веществ, способствующих агрегированию почвенной массы. Согласно Е.В. Шеину и Е.Ю. Милановскому (2014), основную роль поставщика органического вещества почв, в частности при возделывании трав, играет корневой отпад.
Органическое вещество корневого отпада, поступающего в почву in situ, в дальнейшем преобразуется почвенной биотой, проходя стадию биотрансформации при недостатке кислорода, за счет чего образуются в основном гуминовые кислоты и в меньшей мере фульвокислоты, а в современном понимании свойств этих новообразованных почвенных органических веществ – амфифильные вещества, содержащие гидрофобные и гидрофильные компоненты. Это указывает на то, что формирование устойчивых агрегатов почвы связано с особыми свойствами органического вещества вырабатываемого специфической биотой в условиях недостатка воздуха. К настоящему времени эти концепции дополнены данными о значении гифов грибов и нитчатых сине–зеленных циановодорослей в первичном (сначала механическом, а затем и биохимическом) формировании агрегатов, а также данными о роли азотфиксирующих водорослей в образовании гидрофобных гумусовых веществ и в агрегировании почвенной массы (Jigău și coaut., 2019a, 2019b, 2019c). Альгализация (внесение в почву препаратов живых водорослей) способствует поддержанию содержания агрономически ценных агрегатов на «очень хорошем» и «отличном» уровне.
В составе агрономически ценных агрегатов (10 – 0,25 мм) преобладают агрономически оптимальные агрегаты (5 – 1 мм), на долю которых приходится более 50% (Jigău și coaut, 2019a). Вместе с тем вновь образованные структурные агрегаты обладают низкой водопрочностью. Это связано с резким контрастом гидротермического и водно-воздушного режимов в первой и во второй половине вегетационного периода. Мониторинг режима влажности в течение вегетационного периода показал, что в нормальные по климатическим условиям годы в течение апреля содержание влаги в почве находится приблизительно на уровне наименьшей влагоемкости (НВ). В этих условиях агрегатные поры заполнены водой, в них протекают анаэробные процессы с образованием восстановленных гидрофобных гумусовых веществ. В течении мая и в первых декадах июня содержание влаги находится в интервале НВ – ВРК (влажность разрыва капиллярной связи). Этот уровень составляет интервал легкодоступной влаги, при котором в агрегатных порах преобладают анаэробные процессы, обеспечивающие образование преимущественно гидрофобных гуминовых кислот. Начиная с третьей декады июня влага интенсивно консумируется на эвапотранспирацию и на физическое испарение. Затем процессы потери влаги усиливаются, вследствие чего уравновешенный окислительно–восстановительный водно–воздушный режим сменяется преимущественно окислительным режимом.
Это приводит к интенсивному окислению гидрофобных гуминовых кислот, образованных в анаэробных условиях. Свежие гумусовые вещества наиболее предрасположены к окислению. Вследствие этого агрегаты, сформированные с участием этих веществ, не матуризуются и обладают низкой водопроницаемостью. В то же время низкий уровень увлажнения обусловливает перегрев верхнего пахотного горизонта в дневное время и резкое охлаждение в ночное, что в конечном итоге приводит к дезагрегированию, распылению структуры и снижению ее водопрочности. По мере дезагрегирования процессы окисления интенсифицируются вследствие увеличения площади взаимодействия твердой и газообразной фазы. К выше приведенным процессам наиболее уязвимы суглинистые, тяжелосуглинистые и легкоглинистые почвы. При этом тип культуры мало влияет на прочность структуры. Считаем, что к числу факторов консервирования и стабилизации агрегатной структуры почвы относится режим влажности. Самые благоприятные условия для этого – содержание влаги ≥ влажности разрыва капиллярной влаги. В условиях дефицитарного плювиального режима и неравномерного выпадения осадков такой режим влажности может быть обеспечен в условиях адаптивно–ландшафтно–мелиоративных влагонакопительных ресурсосберегающих технологий, основанных на управлении основных факторов структурообразования. В этом смысле наряду с выше приведенными процессами В.Р. Вильямс, К.К. Гедройц, А.Н. Соколовский, А.Ф. Тюлин, И.Н. Антипов–Каратаев, Н.А. Качинский, А.Д. Воронин и др. объединили факторы структурообразования в несколько групп (Ковда, 1973): Физико–механические давление растущих корней и движение животных на почвенные частицы: чередование процессов набухания и сжатия, а также нагревания и охлаждения почвы с последующим формированием трещин; давление почвенной воды при нагревании и замерзании. Сформированные таким образом структурные агрегаты не являются водопрочными, так как при их образовании не происходят процессы, изменяющие состояние почвенных коллоидов. Все же корневая система, пронизывая почву во всех направлениях, разрыхляет почвенную массу в одних местах и уплотняет в других, создавая главным образом комковатую и зернистую структуру.
Физико–химические факторы, приводящие к коагуляции в почве глинисто–коллоидных частиц и формированию прочных агрегатов. К этой группе также относятся процессы, связанные с замерзанием и оттаиванием, высыханием и разрушением гидрогелей почв и постепенной их кристаллизацией; Ведущую роль в структурообразовании играют гумусовые вещества. В качестве агрегирующего компонента органическое вещество почв может выступать как самостоятельно, так и в виде гуматов кальция, железа, алюминия и др. При этом наибольшую агрегированность, с образованием зернистой структуры, обеспечивают гуматы кальция. В то же время степень цементации структурных отдельностей зависит не только от природы клеящего вещества, но и от гранулометрического состава почвы. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее ее структурные агрегаты. При этом в черноземах преобладают агрегаты органоминеральной природы. В этом смысле, по нашим расчетам, около 90–96 % гумусовых запасов сконцентрированы в структурных агрегатах. Матричная теория организации почв рассматривает механизмы агрегатообразования с позиции гидрофобно–гидрофильного взаимодействия гумусовых веществ и элементарных почвенных частиц с образованием органоминеральных соединений. Минеральная матрица почвы создает потенциальный фон закрепления гумуса, определяет размер и потенциальную устойчивость с формированных из таких фрагментов структурных отдельностей (Зубкова, Корпачевский, 2001). Химические факторы обусловлены накоплением в почвах углекислого кальция, силикатов магния, железа и других малорастворимых соединений, которые способствуют цементации механических элементов, их склеиванию и формированию водопрочных агрегатов.
Биологические факторы имеют комплексное влияние в структурообразовании. Исключительно важная роль в оструктуривании почвы принадлежит растениям, корневая система которых служит эффективно действующим фактором расчленения почвенной массы на структурные отдельности. Пронизывая почвенную массу во всех направлениях, корни расчленяют и уплотняют ее, действуя, как своеобразные клинья. Даже сравнительно плотная почва во влажном состоянии не оказывает сопротивления прохождению корней. По густой сети полых пространств разнообразной конфигурации, остающейся после отмирания и разложения корней, почва способна распадаться на агрегаты различного размера и формы. Роль растений в структурообразовании не ограничивается только механическим воздействием на почву. При разложении растительных остатков образуются различные неспецифические органические соединения, принимающие участие в агрегировании почвенной массы, и гумусовые кислоты, играющие ведущую роль в формировании водопрочных агрегатов. Немаловажную роль в образовании структуры играют прижизненные корневые выделения.
В их состав входят разнообразные органические соединения, а их общее количество за период вегетации может достигать 10% и более от растительной биомассы. Корневые выделения обладают клеящей способностью. В зоне распространения корневой системы широко представлена ризосферная микрофлора. Коллоидные продукты жизнедеятельности и автолиза микроорганизмов обладают цементирующим началом и активно участвуют в структурообразовании. О структурообразующей способности микроорганизмов можно судить по имеющимся в литературе данным (Таб. 1). Наиболее сильно на структуру почвы влияет многолетняя травянистая растительность, отличающаяся мощной хорошо разветвленной корневой системы. Поэтому там, где создаются благоприятные условия для ее развития, встречаются хорошо оструктуренные почвы, что наглядно проявляется в зональном аспекте. Деятельность почвенных животных можно рассматривать как своеобразную механическую обработку почвы.
Почва, подвергающаяся обработке животных, как правило, отличается тончайшей структурой, большей гомогенностью и однородностью. В некоторых случаях деятельность животных оказывается более результативной, чем применение сельскохозяйственных орудий, так как ими обрабатывается чаще всего только пахотный слой, а животные нередко проникают и за его пределы, иногда на глубину более 1 м. Большую роль в структурообразовании играют дождевые черви. Почва, прошедшая через кишечный тракт дождевых червей, уплотняется, склеивается слизью, обогащается углекислым кальцием. Нашими исследованиями установлено, что одновременно происходит обогащение гумусом (Jigău ș.a., 2018). Почву, переработанную таким образом, черви выбрасывают в виде мелких комочков – копролитов, характеризующихся высокой водопрочностью. Структура, созданная дождевыми червями, легко отличима по форме. Она, как правило, округлая, поверхность имеет своеобразный «оплавленный» характер. Активное участие в структурообразовании принимает почвенная микрофауна: ногохвостки, мокрицы, термиты, муравьи и др., биологические выделения которых обладают клеящей способностью. Так, 12–15 червей на 1м2 за год перерабатывают 20 т/га почвы. Дождевые черви, обитающие в слое 0–100 см одного гектара, за теплый период могут пропускать через кишечный тракт до 600 т/га почвенной массы. При такой активной деятельности дождевых червей копролиты играют заметную роль в агрегатном составе почвы.
По литературным данным, в целинных обыкновенных черноземах Каменной степи на долю агрегатов, представленных копролитами, приходится до половины от суммы всех структурных отдельностей. Согласно исследованиям И.А. Крупеникова (1967), в начале периода интенсивного сельского хозяйства в почвах нашего региона на долю копролитов приходилось около 40% от массы структурных агрегатов. Мониторинг процессов копролитообразования в пахотных черноземах Молдовы показал, что жизнедеятельность дождевых червей имеет несущественное значение (Jigău și coaut., 2018). В отдельную группу факторов и процессов эволюции агрегатной структуры пахотных черноземов следует выделить процессы агрогенной метаструктуризации. В нашем определении агрогенная метаструктуризация является комплексным процессом, который предполагает: — процесс механического разрушения агрегатной структуры почв в результате многократного и интенсивного воздействия на почву тяжелой сельскохозяйственной техники. При воздействии техники на сухую почву происходит истирание и распыление структуры.
Распыление происходит и под действием дождевых капель. После выпадения осадков такая почва заплывает, а при последующем иссушении формируются крупные глыбы. Влажная почва под влиянием тяжелой техники спрессовывается, а при подсыхании распадается на крупные глыбистые отдельности. Распыление структуры происходит и при вспашке, особенно при поверхностной обработке дисковыми агрегатами; — процессы физико–химического обесструктуривания, проявляющиеся через реакции ионного обмена, в результате которых двухвалентные катионы в почвенном поглощающем комплексе замещаются на одновалентные. Вследствие этого при увлажнении почвы происходит пептизация коллоидов, в первую очередь гумусовых веществ, прочно скрепляющих гранулометрические элементы и микроагрегаты, что ведет к разрушению почвенной структуры. — процессы трансформации ряда факторов структурообразования, в том числе угнетение полезной микрофлоры, которая является естественным производителем «клеящих» веществ для элементарных почвенных частиц. Параллельно с этим происходит активное развитие фитопатогенной биоты, которая негативно влияет на развитие структурообразования. Применение удобрений способствует вымыванию из почвенных агрегатов кальция и магния, которые вызывают коагуляцию коллоидов, в результате чего происходит диспергация и деградация структурных единиц почвы. — биологические процессы обесструктуривания почв при экстенсивном использовании пашни. Когда в почве ежегодно отмечается дефицит свежего органического вещества, микроорганизмы начинают утилизировать не только лабильные, но и более устойчивые гумусовые соединения – главный клеящий компонент при образовании почвенных агрегатов.
Интенсивная минерализация гумусовых веществ отмечается в условиях, когда в почвах запахиваются растительные остатки без обеспечения необходимого количества азота – 10 кг действующего вещества на каждую тону растительных остатков. В контексте всего изложенного заключаем, что в обязательном порядке нужно вносить рекомендуемые нормы азота, раз в два три года от 3 до 5 т/га кальций содержащих веществ, чередование культур с различной корневой системой и запахивание свежего зеленного органического вещества.