Почвенно-функциональная концепция воспроизводства почвенного плодородия

Теоретические основы природно-антропогенной эволюции черноземного почвообразования и воспроизводство плодородия черноземов

Из истории человечества известно, что не заботившиеся о плодородии почв правители приводили государство к полному развалу. По этому поводу хорошо сказал Ю. Либих: „причина возникновения и падения наций лежит в одном и том же: расхищение плодородия почвы обусловливает их гибель, поддержание этого плодородия – их жизнь, богатство”.

Плодородие почвы – следствие почвообразовательного процесса. В тоже время оно выступает как необходимое ус­ловие его развития, поскольку от него зависит проявление главного фактора почвообразования – развитие почвенной биоты, и прежде всего высшей растительности и микроор­ганизмов. Также как и почвообразование, плодородие тесно связано с процессами превращения, аккумуляции и переда­чи вещества и энергии, что является причиной количествен­ных и качественных изменений факторов и условий почво­образования.

Следует различать факторы и условия плодородия. К фак­торам плодородия относятся вода, воздух, тепло, элементы зольного питания и азот, необходимые для жизни растений. К условиям плодородия относят совокупность свойств, слож­ное взаимодействие которых определяют возможность обе­спечения растений земными факторами (физические и физи­ко-химические свойства, наличие токсичных веществ и др.).

Необходимо подчеркнуть, что взаимодействие и взаимов­лияние отдельных компонентов состава и свойств почвы протекают в гидротермических условиях атмосферного кли­мата, что находит конкретное отражение в формировании почвенных режимов. Поэтому уровень плодородия зависит от показателей теплового, водно-воздушного, питательно­го, физико-химического, биохимического, солевого и окис­лительного режимов (Jigau, 2004, 2006; Jigău, Toma, 2006).

Параметры режимов, в свою очередь, определяются клима­тическими, геоморфологическими, геологическими, гидро­геологическими, гидрологическими, биоклиматическими условиями – это с одной стороны. И физическими свой­ствами почв, их гранулометрическим, минералогическим и химическими свойствами, потенциальными запасами эле­ментов питания растений, содержанием подвижных форм, биоэнергетическими ресурсами, содержанием, составом и запасами гумуса, интенсивностью микробиологических процессов, реакцией и другими физико-химическими свой­ствами – с другой стороны.

Геохимические, геологические, гидрологические и гидроге­ологические, процессы (приток жестких и мягких пресных или минерализованных грунтовых вод, отложение плодо­родных или же неплодородных паилков, эрозионный спас гумусового горизонта, оползни и т.д.) влияют на плодородие почв, прежде всего через изменение в том или ином направ­лении показателей состава, свойств и режимов почвы.

Оценивая роль отдельных почвенных свойств и режимов в формировании плодородия почв, необходимо отметить, что плодородие проявляется как результат сложного взаи­модействия, взаимовлияния и взаимозависимости свойств и режимов. Например, питательный режим почвы формиру­ется как результат сложного превращения ее минеральных соединений, процессов минерализации и гумификации ор­ганического вещества, активности различных групп микро­организмов и почвенной фауны, влияния щелочно-кислот­ных почвенных условий, динамики окислительно-восстано­вительных процессов, водно-воздушного и температурного режимов и т. п.

В свою очередь, окислительно-восстановительный режим зависит от содержания и форм органического вещества, физических свойств почв, определяющих условия аэрации, гидротермических условий развития микробиологических условий развития микробиологических процессов и др.

Структура как важнейшее свойство почвы, с которым свя­заны водно-воздушный, окислительно-восстановительный режимы, общая и дифференциальная порозность водопро­ницаемость, влагоемкость общие и доступные запасы воды и др., в свою очередь, зависит от содержания и качествен­ного состава гумуса, гранулометрического и минералогиче­ского составов, физико-химических свойств, состава погло­щенных катионов, развития окислительно-восстановитель­ных процессов и т.д.

Тесная взаимосвязь и взаимозависимость между свойства­ми и режимами почв с одной стороны указывает на сложный процесс формирования и развития почвенного плодоро­дия. И с другой – на сложность методов и приемов управле­ния плодородием. В тоже время это свидетельствует о том, что почвенное плодородие реагирует на изменения усло­вий, его определяющих.

Эти изменения могут протекать как в благоприятном на­правлении для развития плодородия и приводить к его по­вышению (к накоплению элементов питания, переход их в более доступные для растений формы, улучшения структу­ры и т.д.). Так и в неблагоприятном, что приводит к сниже­нию плодородия (вынос элементов питания, закрепление их в труднодоступных формах, разрушение структуры и т.д.). Изменение свойств почвы в течение какого-либо пе­риода могут привести также и к относительно исходному уровню плодородия. Следовательно, за определенный период времени (вегетационный период, годичный или севооборотный цикл и т.д.) изменение плодородия может проявляться в виде неполного, простого и расширенного его воспроизводства.

Формирование плодородия почвы ниже первоначального уровня означает неполное воспроизводство почвенного плодородия, а возвращение почвенного плодородия к ис­ходному уровню — простое воспроизводство плодородия. Создание почвенного плодородия выше исходного уровня представляет собой расширенное воспроизводство пло­дородия. Воспроизводство почвенного плодородия есть объективный закон почвообразования, присущий всем формам его проявления. При развитии природного про­ цесса почвообразования воспроизводство плодородия по неполному, простому или расширенному типу определяет­ся развитием конкретных почвообразовательных процес­сов или их сочетанием.

В условиях земледельческого использования почв вос­производство их плодородия протекает под влиянием естественных факторов и различных воздействий челове­ка на почву.

Почвенно-технологические основы обеспечения расши­ренного воспроизводства черноземного почвообразо­вания и плодородия черноземов

Почва – это особенная природная система, которая рожда­ется при взаимодействии энергии между живой и косной материей, в результате чего образуется гумус-качествен­ный показатель направленности и интенсивности эволю­ции почвообразовательного процесса, состояния и плодо­родия почвы.

Как любой природный процесс, энергообмен протекает по законам физики и химии и предполагает энергетический баланс. Вместе с тем анализ отечественной и зарубежной литературы, а также наши собственные исследования сви­детельствуют о том, что существующие модели управления черноземами по законам земледелия (в том числе закону возврата) не учитывают количественные изменения энер­гии органической и косной материи в процессе гумусо­образования.

Главная причиной отмеченного явления – это смещение энергетического баланса вследствие нарушения круговоро­та органического вещества, а также вследствие сдвига био­химических процессов синтеза и разложения органических веществ в сторону большей их минерализации из-за несо­вершенства и несоответствия природным условиям систем севооборотов, обработки почвы и удобрений. Поэтому пока не будут найдены количественные характеристики связи си­стем земледелия и физическими и химическими основами энергетики почвообразования, все существующие расчеты будут иметь прикладной характер.

В этом контексте В.А. Ковда считал, что управление энер­гообменном в пахотных черноземах должно основывать­ся на природной модели функционирования почвенной экосистемы. В естественных условиях, почва, как известно, является саморегулирующейся системой, обеспечивающей в известных пределах в течение многих лет естественное воспроизводство плодородия. В естественных условиях на целинных и залежных землях плодородие почвы имеет тен­денцию к постоянному росту за счет использования энергии солнца. Зеленые растения обеспечивают себе питание не только из почвы, но из воздуха, оставляя после себя боль­шое количество энергетического материала, чем потребля­ют его для жизни. Этот процесс, однако, прекращается при замене биоценозов агрофитоценозами (экосистем агроэ­косистемами). Ниже приводится анализ влияния основных компонентов агротехнологий на энергетические взаимос­вязи живой и косной материй почвы.

Вспашка. Многочисленными исследованиями установлено что систематическая вспашка обусловливает ухудшение почвенной структуры и, соответственно и основных поч­венно-функциональных режимов: водно-воздушный, гидро­термический, тепловой, окислительно-восстановительный, биологический питательный и др.

Проведенный нами анализ показал, что вспашка во всех типах агроэкосистем приводит к смещению энергетики почвы в сторону косной материи. Это материализуется в сужении отношений содержания углерода гумусовых ве­ществ к содержанию физической глины (Сорг/< 0,001 мм) и тонкого ила (Сорг/< 0,001 мм). Установлено, что это связа­но с сокращением интенсивности гумусообразовательного процесса. В связи с этим в пахотных черноземах устанав­ливается обратно пропорциональная зависимость между содержанием гумуса в фракции мелкой пыли (0,005-0,001) и длительностью пахоты. В этом смысле отмечается сокра­щение Сорг/ 0,005-0,001 мм.

Безотвальные системы обработки почвы оказывают мень­шее влияние на почвенно-функциональные режимы, а со­ответственно на интенсивность гумусообразовательного процесса, равно как и на процессы минерализации орга­нического вещества почвы. Поэтому скорость смещения энергетики почвы в сторону косной материи меньше. Вме­сте с тем нашими исследованиями установлено, что в усло­виях зернопропашного и зернотехнического севооборотов глубокое рыхление почвы (27-30 см) без оборота пласта в нормальные по климатическим условиям годы обеспечи­вает производство такого количества гумуса, которое лишь частично покрывает количество минерализуемого орга­нического вещества. В сухие засушливые годы количество производимого гумуса не покрывает количество минера­лизуемого органического вещества. Систематическими на­блюдениями установлено, что пятилетний цикл не обеспе­чивает компенсацию минерализуемое за этот же период количество гумуса.

В то же время исследованиями, проведенными в период 2011-2016 гг в AO «AXEDUM» в районе Чимишлия показа­ли, что в условиях ротационного управления растительны­ми остатками и подержания процесса гумусообразования путем внесения 800-1000 кг биогумуса и обработки орга­нических остатков 5-7 л/га природного биоорганического препарата BIOVIT +7-10 кг/га д.в. азотных удобрений (моче­вина, азотная селитра) разноглубокая обработка без оборо­та пласта обеспечивает стабильную тенденцию восстанов­ления приоритетной роли процесса гумусообразования в природно-антропогенной эволюции черноземов типичных слабогумусных.

Разноглубинная поверхностная обработка с запахиванием растительных остатков позволяет восстановить, во времени запасы негумифицированных органических веществ в верх­ней части почвенного профиля (0-16 см). Первые признаки восстановления гумусового детрита отмечаются уже через 7-8 лет после целенаправленного внедрения этого техноло­гического приема.

Мониторинг режима влажности в период 2011-2016 гг пока­зал, что в периоды отложения растительных остатков (сен­тябрь-ноябрь) и их разложения-гумификации (апрель-июнь) этот слой характеризуется благоприятным водно-воздуш­ным режимом для протекания процессов образования и накопления гумуса. В тоже время вновь образованные ла­бильные гумусовые вещества выносятся из этого слоя в ни­жележащие горизонты Ам В и ВI r.

Тем самым в этих горизонтах создаются благоприятные условия для активизации деятельности мезофауны (дожде­вых червей) и микробиоты. Сюда же в поисках азота прони­кают корни растений. Корневые выделения способствуют интенсификации деятельности микроорганизмов, а также оструктириванию почвенной массы. Эволюция гидротер­мического режима способствует дегидрации ряда гумусо­вых веществ и их конденсации с вовлечением в острукту­ривание почвенной массы. В течение сухого периода мо­бильные гумусовые вещества подтягиваются восходящими токами воды в корнеактивный слой и обеспечивают рас­тения фитонутриентами. Отмеченные почвенно-функци­ональные эффекты реализуются только в условиях, когда агрогенный слой не дифференцирован на разные по плот­ности подслои.

Исходя из почвообразовательных эффектов, предлагаем использовать в качестве критериев оценки эффективности применяемой технологии показатели структурно-агрегат­ного состава.

В тоже время надо иметь в виду, что даже в условиях эффек­тивных процессов в средней и нижней частях агрогенного слоя, а также в нижележащих генетических горизонтах (Ам В и ВI) в поверхностном подслое агрогенного слоя преоб­ладают процессы разрушения структуры. В связи с этим поверхностная обработка требует в обязательном порядке меры по улучшению и консервированию структуры верхней части пахотного слоя. Для этого необходимо выращивание промежуточных культур между основными культурами. Преимущество отдают фацелии и желтой горчице. Хороший эффект обеспечивает содержание стерни в состояние „зеле­ного поля”. Для интенсификации процессов, протекающих в этом слое, рекомендуется сразу же после уборки обрабаты­вать растительные остатки биогумусным препаратом BIOVIT и заделывать растительные остатки на глубину 6-8 см. Это способствует образованию внутренней росы и быстрому проращиванию семян бурьянов и падалицы. Стерня зеле­неет в течение 10-15 дней. Дальнейшее содержание поля в этом состоянии способствует защите поверхности почвы от разрушающей действии дождевых капель и улучшению структур под действием корней развивающейся раститель­ности. Хороший эффект обеспечивает обработке BIOVIT-ом 5л/га по вегетации.

No-Till отмечается минимальным механическим воздействи­ем на почвенный профиль, Акцент в этом случае ставится на способность почвы восстанавливать свойства и режимы. Проведенные нами исследования в условиях стационарно­го опыта в период 2011-2016 гг показали что накопление и разложение растительной мульчи на поверхности почвы обусловливает локализацию процессов образования и на­копления гумуса и химических элементов в самом поверх­ностном (0-10-12 см) слое. По имеющимся данным за пяти­летний цикл содержание гумуса в слое 0-10 см увеличива­лось на 0,47-0,53 %.

Содержание мобильного фосфора составляет 8-12 мг/100г почвы, а калия – до 80 мг/100г почвы. В нижележащих сло­ях содержание этих веществ резко уменьшается. К тому же плотный подпахотный горизонт препятствовал проникно­вению лабильных гумусовых веществ в ниже залегающие ге­нетические горизонты. Эффекты оструктуривания и других почвенных процессов отмечаются в лучшем случае в пахот­ном слое.

Как известно, основная масса корней культурных растений размещается в верхнем слое почвы с после уборочными остатками на поверхности, что способствует гетерогенному строению пахотного слоя почвы и является причиной бо­лее мелкого размещения корней последующих культур. В условиях недостаточного увлажнения верхний 0-10 см слой менее чем за две недели в условиях жаркой погоды пересы­хает до мертвого запаса влаги. В нижних же слоях влага со­храняется в почве до середины июня, т.е. имеет место про­тиворечие: наибольшие запасы доступных форм питатель­ных веществ находятся в верхней слое, а более благоприят­ный водный режим — в нижнем. Такое состояние приводит к резкой дифференциации пахотного/агрогенного слоя по направленности и интенсивности элементарных биохими­ческих процессов. В верхнем слое процессы образования гумуса лимитируются запасами влаги количеством расти­тельных остатков. Многочисленные почвенные изыскания в производственных условиях выявили три наиболее часто встречающиеся варианта.

1. При длительном применении безотвальных спосо­бов обработки происходит резкая дифференциация пахотного слоя по направленности почвообразова­тельных процессов и плодородию.
2. Явление дифференциации агрогенного/пахотного слоя отмечается на почве обработанной как отваль­но, так и безотвально, и не только в конце вегетаци­онного периода, но и в периоды между обработками;
3. Разные виды обработки оказывают неодинаковое воздействие на биогенную активность, агрофизиче­ские, водные и др. свойства почвы.
4. Обработка почвы без оборота пласта со временем усиливает дифференциацию слоев почвы по пло­дородию, создавая гетерогенный пахотный слой, и урожайность культур все больше зависит от эффек­тивного плодородия верхних слоев почвы. Особенно сильно эта зависимость проявляется уже на четвер­тый год применения безотвальной обработке почвы. Прерывание безотвальной обработке почвы через три года вспашкой способствует созданию гомоген­ного слоя и устранению негативных последствий бессменной безотвальной обработке почвы, увели­чению урожайности культур.

Аналогичные результаты установлены нами в проведенных нами в сельскохозяйственных эксплуатациях „Sadac-Agro” (р-н Басарабяска), „Polen–Agro” (р-н Чимишлия), „Coriandro- Agro”, „GȚ Nicolae Racu”, „Accesal-Grup” (р-н Сынжерей), „GȚ Condrațchi Eugen” (р-н Окница) и др.

Полученные результаты исследований дают основание ре­комендовать в условиях нашей республики внедрение аль­тернативных систем земледелия в двух этапах.

Первый этап – применение комбинированной системы, предусматривающей через три года использование отваль­ной обработки на фоне разноглубинных безотвальных об­работок.

Второй этап – применение адаптивно-ландшафтной ком­бинированной системы земледелия, обеспечивающий про­грессивную интенсификацию приоритетной роли гумусо­образовательного процесса в расширенном воспроизвод­стве природного плодородия черноземов.