Статья: Роль обработки, культурных растений и почвенной фауны в гумусообразовании

Роль обработки, культурных растений и почвенной фауны в гумусообразовании

Н.И. Картамышев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой земледелия

В.А. Шумаков, соискатель, А.В. Зеленин, соискатель

В.Ю. Тимонов, кандидат сельскохозяйственных наук, директор ОПХ ЦЧ МИС

Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

Проблема сохранения и накопления гумуса в почве приобретает особую актуальность в связи с заметной деградацией почв, снижением их эффективного и потенциального плодородия. В случае черноземов нормального сложения это в основном происходит из-за истощения запасов гумуса и питательных веществ, ухудшения агрофизических свойств почвы при их дегумификации (1). По данным некоторых авторов, типичные черноземы Украины за 100 лет потеряли 88 т/га гумуса, а южные по отдельным видам - 30-75 т/га, что составляет соответственно 30-43 и 25-36 % исходного содержания (2). В Нечерноземной зоне ежегодно теряется 0,6-1,7 т/га (3), в Центрально-Черноземной области (Курская область) - 1,0-1,5 т/га (4). В Краснодарском крае за 25 лет содержание гумуса в черноземах уменьшилось в среднем на 1,3 % в абсолютных показателях (4), а в почвах Новосибирской области за 80 лет - в 2 раза и более (5). В темно-каштановых почвах Алтайского края за 50 лет содержание гумуса снизилось с 2,54 до 1,70 %, то есть примерно на 30 % (6). Среднее содержание гумуса в пахотном слое степных почв прерий Канады, США, Аргентины снизилось на 30-40, а в освоенных землях Бразилии - с 6 до 2 % (7).

В то же время на целинных землях наблюдается прирост или стабилизация количества гумуса. В этой связи можно с сожалением констатировать, что человек пока не научился управлять почвообразовательным процессом. Стремление агротехническими приемами создать мощный гумусовый горизонт, увеличить его мощность, например с 20 до 30-40 см, путем постепенной, ежегодной припашки нескольких сантиметров малоплодородной почвы к плодородной, а также путем внесения высоких доз органических удобрений есть не что иное, как попытка ускорять почвообразовательный процесс. На деле она оборачивается сокращением, а не увеличением мощности гумусового горизонта и содержания перегноя в нем, выпахиванием, деградацией чернозема.

Почему же вместо ожидаемого расширенного воспроизводства плодородия происходит деградация почв? Ответ может быть получен только при разработке теории процесса почвообразования, теоретического обоснования основных звеньев системы земледелия и в первую очередь теории обработки почвы, севооборота. В настоящее время накоплено достаточно экспериментального материала, свидетельствующего о возможности и даже необходимости во многих случаях заменять вспашку менее энергоемкими безотвальными и поверхностными обработками. В основном обсуждаются и широко внедряются в производство зональные системы обработки, основанные на минимальных почвозащитных агротехнических приемах.

В.Р. Вильямс, впервые обосновавший роль вспашки как приема, создающего оптимальные условия для гумусообразования, исходил из того, что участие в почвообразовательном процессе представляет собой качественный признак живых растительных организмов, развивающихся на рухляке, а не самого рухляка. Темпы и результаты этого процесса зависят от соотношения двух противоположных процессов - создания и разрушения: при их равновесии на каком-то этапе количество органического вещества в почве стабилизируется; при преобладании процесса создания количество органики будет увеличиваться; при преобладании процесса разрушения почва с накопленным в ней органическим веществом может снова стать рухляком (8). Очевидно, что при сельскохозяйственном производстве необходимо определить и обеспечить условия равновесия и преобладания процесса создания гумуса. В этом случае возможно простое и расширенное воспроизводство плодородия. В.Р. Вильямс и его последователи считали, что в основном такое соотношение достигается путем отвальной обработки почвы - вспашки. При вспашке органические наземные остатки культурных растений и их корневой системы, откладывающиеся в большем количестве у поверхности почвы (по схеме конуса, обращенного вершиной вниз), перемещаются в глубокие (20 см и более) слои почвы в условия анаэробного разложения (8), так как только анаэробные бактерии, по В.Р. Вильямсу, способны превращать свежее органическое вещество в гумус. Однако, как уже отмечалось, при вспашке с каждым годом количество гумуса в почве снижается. Сам В.Р. Вильямс подчеркивал, что вспашка, необходимая для обеспечения условий аэробиозиса и питания растений, есть не что иное, как полнейшее разрушение гумуса (8). Эту отрицательную сторону он предложил устранить путем разумного подбора и использования культурных растений, выделяя при этом две растительные формации, наиболее сильно влияющие на ход гумусообразовательного процесса: степную и луговую.

Формальное отличие степной растительной формации от луговой травянистой растительной формации заключается в сроке отмирания растений. Растения степной формации отмирают летом задолго до наступления зимних заморозков, растения луговой травянистой - с наступлением зимы. Отложение растительных остатков степной флоры в массе рухляка происходит летом в условиях минимума влажности рухляка и, следовательно, при максимальной аэрации. Поэтому корневые остатки степной флоры подвергаются быстрому аэробному разложению до полной минерализации всех элементов органического вещества. Качественным признаком степной травянистой растительности является то, что под ее покровом в рухляке ни при каких условиях не могут накопиться ни перегной, ни органические остатки.

Растительные остатки луговой флоры откладываются в массе рухляка в начале зимы. Разложение остатков луговых растений происходит весной после оттаивания рухляка в условиях первого количественного максимума влажности и, следовательно, при первом количественном минимуме аэрации, то есть в основном анаэробиотически. В связи с этим накопление органических остатков и перегноя в массе рухляка под покровом луговой травянистой растительной формации неизбежно. Это качественный признак, отличающий эту формацию от степной травянистой. Под луговой травянистой растительностью при любых условиях имеются как растительные остатки, так и перегной (8).

Итак, основные условия эффективного гумусообразования (по В.Р. Вильямсу) следующие: 1) отвальная обработка (вспашка) на глубину не менее 20 см, которая обеспечивает анаэробные условия для разложения растительных остатков и улучшение структуры почвы путем запашки верхнего 10-сантиметрового слоя, утратившего структуру и прочность, и укрытия этого бесструктурного слоя нижними, не утратившими структуру слоями почвы мощностью не менее 10 см; 2) ежегодность отвальной обработки (вспашки) ввиду полного разрушения структуры верхнего горизонта в течение одного лета, что обусловливает необходимость каждый год перемещать на дно борозды десятисантиметровый утративший структуру слой почвы, покрывать его почвой нижних структурированных горизонтов, при этом запахивать, то есть помещать в анаэробные условия, растительные остатки с целью их гумификации; 3) преимущественное возделывание и использование в хозяйственных целях растений луговой растительной формации.

Эти положения и явились теоретической основой обработки почвы и управления гумусообразованием. Однако к настоящему времени накоплены факты, позволяющие по-новому оценить процессы гумусообразования и увидеть неточности в существующей теории. На наш взгляд, они заключаются в следующем. Неверно обосновываются причины отсутствия гумусообразования в случае степной растительной формации и его активного протекания под луговой растительностью. Признание неизбежности ежегодной отвальной обработки - вспашки почвы на глубину не менее 20 см, очевидно, ошибочно. Недооценивается роль почвенных беспозвоночных животных в гумусообразовании. Рассмотрим последовательно три эти положения.

Особенности процессов образования гумуса под разными растительными формациями (то есть однолетними культурами и многолетними травами) В. Р. Вильямс объяснял только качественными признаками собственно растительных формаций. На самом же деле необходимо учесть, что масса корневой системы хотя и откладывается по схеме конуса, обращенного вершиной вниз независимо от формации, рода, вида растений (8), но после их отмирания характер ее разложения (трансформации) обязательно будет разным (по В. Р. Вильямсу) в зависимости от типа растительной формации и условий. Например, корневая система степной травянистой растительности обязательно должна подвергнуться процессу полного аэробного разложения. В условиях поля это происходит в том случае, если после уборки однолетних растений (или их отмирания) в условиях недостатка влаги почву сразу вспахивают на глубину не менее 20 см, и тем самым создаются условия для аэробиоза. Если поле после уборки однолетних растений вообще не обрабатывают, почва, лишенная растительного покрова, быстро пересыхает, в ней образуются крупные и глубокие трещины и создаются условия для интенсивного развития аэробиозиса и полной минерализации свежеотложенного органического вещества. Однако перечисленные способы содержания поля даже с точки зрения формирования урожая нецелесообразны, так как в первом и во втором случае почва в условиях недостатка осадков может потерять практически всю усвояемую влагу. Избежать этого 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, и до наступления зимы поддерживать его в рыхлом состоянии. Рыхлый мульчирующий слой будет надежно защищать почву от потерь влаги, а в плотной, не подвергнутой обработке почве содержится мало воздуха и отсутствуют условия для интенсивного аэробного процесса. Следовательно, при этом возможно накопление гумуса и органических остатков под культурой однолетних трав. Иными словами, почвообразовательный процесс определяется не столько типом растительной формации, сколько способом обработки почвы.

В случае луговой растительной формации (в том числе многолетних трав) и ее качественного признака - способности накапливать гумус в почве первостепенную роль также играет обработка: несвоевременным глубоким и интенсивным рыхлением можно вызвать минерализацию органического вещества, накопленного в почве многолетними травами. Этим обоснованы возражения 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. Отметим, что предложенное В. Р. Вильямсом использование многолетних трав не менее двух-трех лет для восстановления почвенного плодородия по сути означает прерывание вспашки и, следовательно, аэробного разложения растительных остатков - минерализации. То есть и здесь первопричина накопления гумуса в почве - не особые качественные свойства луговой растительной формации, а те условия, которые созданы способом и режимом обработки почвы.

Таким образом, при интенсификации земледелия задача накопления в почве гумуса может быть решена, как было показано выше, при условии мобильности обеих составных частей системы «обработка почвы - растения», то есть при дифференцированном определении способа обработки почвы с учетом особенностей выращиваемой культуры и ведения хозяйства.

Наконец, наиболее слабой стороной существующей теории обработки почвы явилась недооценка роли почвенных беспозвоночных животных в гумусообразовании.

Несмотря на то, что еще в 1837 году Ч. Дарвиным впервые была высказана мысль о создании гумуса дождевыми червями, роль беспозвоночных животных в гумусообразовании оставалась незамеченной до 30-40-х годов двадцатого столетия, и только с 1958 года вопросы почвенной зоологии разрабатываются (9).

На важную роль почвенных беспозвоночных в гумусообразовании указывают косвенные и прямые данные. К первым можно отнести тот факт, что возрастание численности крупных сапрофагов и всех почвенных беспозвоночных в целом сопровождается повышением содержания гумуса. Средняя биомасса почвенных беспозвоночных под ненарушенной естественной растительностью возрастает от зоны тундр к широколиственным лесам и спадает от нее к пустыне.

Таблица 1. Биомасса позвоночных по зонам

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

Меньший запас гумуса в тундровых почвах является следствием того, что из-за низких температур там отсутствуют многие группы организмов, участвующих в разложении остатков, а численность других почвообразователей очень низка. По мере передвижения от тундры к черноземам лесостепи все более повышаются температуры, увеличивается число групп и видов, активных почвообразователей и численность соответствующих микроорганизмов. Это приводит к тому, что растительные остатки разлагаются быстрее, процесс образования гумуса ускоряется, улучшается его качество, утолщается слой и возрастают запасы.

Таблица 2. Запас гумуса в почвах

К югу от лесостепной зоны температуры сами по себе перестают оказывать влияние на почвообразующие организмы, и возрастает значение влажности. Биомасса сапрофагов и соответствующих микроорганизмов, их роль также снижается, и к пустынным почвам запасы гумуса постепенно уменьшаются (10). 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.

Прямые доказательства роли почвенных беспозвоночных в гумусообразовании получены в экспериментах Курчевой с группой сотрудников (10). В дубовом лесу при исключении безпозвоночных процесс разложения проходил очень замедленно. За 140 суток при благоприятной погоде под влиянием только грибов и бактерий разложилось всего 9 % весеннего опада дуба, а при совместном действии с почвенными животными - 55 %. В сухие годы в те же сроки бактериально-грибное разложение по скорости изменялось лишь незначительно (на десятые доли процента), а естественное в присутствии сапрофагов замедлялось в 1,5 раза. Причина этого заключается в уменьшении числа сапрофагов в подстилке, вызванном неблагоприятными условиями влажности. В целом за год разложение весеннего опада дуба при участии почвенных животных проходило примерно в 3, а за теплый период года - в 3-6 раз быстрее. Примерно таким же было относительное влияние беспозвоночных на разложение осеннего опада как в сухие, так и во влажные годы.