2.10.2. 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)

Показатель, т/га сухого вещества в год	Южная тайга, Европа		Лесостепная зона, Русская равнина		Лесостепная зона, Западная Сибирь				Степная зона, Казах­стан
					луговая степь	АГЦ			засушливая степь	АГЦ
	леса	АГЦ с удобрениями	луговая степь	АГЦ с удобрениями		без УДобр.	с удобр.	интенсивные техн.		Р - удобрения
Первичная продукция
Среднее	10,0	9,6	24,7	12,6	24,5	9,9	12,0	14,2	20,8	10,7
Пределы отклонений	8,0	7,8	15,5	7,3	23,9	6,3	10,7	9,6	19,3	6,4
	16,0	12,3	33,7	20,5	25,1	14,0	15,0	18,8	22,4	12,8
Поступление остатков
Среднее	10,0	3,6	24,7	5,8	24,5	5,7	5,9	6,7	20,8	5,5
Пределы отклонений	8,0	2,9	15,5	2,8	23,9	3,3	4,2	4,8	19,3	4,0
	16,0	6,2	33,7	11,9	25,1	6,9	8,2	8,8	22,4	6,7

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.