Весь мир гово­рит о поло­жи­тель­ных сто­ро­нах удер­жа­ния угле­кис­ло­го газа в пахот­ном слое поч­вы за счет нара­щи­ва­ния гуму­са. Осо­бая роль здесь отво­дит­ся имен­но ста­биль­но­му виду орга­ни­че­ско­го веще­ства. Мож­но ли уси­лить его накопление?

Почвенное плодородие

Идея целе­на­прав­лен­но­го накоп­ле­ния гуму­са в агро­про­из­вод­стве оста­ет­ся одной из наи­бо­лее обсуж­да­е­мых. Еще бы! Одним выстре­лом мож­но убить двух зай­цев: и уро­вень пло­до­ро­дия почв повы­сить, и мини­ми­зи­ро­вать выбро­сы угле­кис­ло­го газа в атмо­сфе­ру. Пред­при­им­чи­вые евро­пей­цы даже созда­ют спе­ци­аль­ные стар­та­пы и раз­ра­ба­ты­ва­ют биз­нес-пла­ны полу­че­ния агра­ри­я­ми допол­ни­тель­ной выруч­ки по СО₂-сер­ти­фи­ка­там в резуль­та­те сокра­ще­ния выбро­сов пар­ни­ко­вых газов. Рас­чет прост: содер­жа­ние гуму­са в поч­вах напря­мую зави­сит от уров­ня при­сут­ствия в них орга­ни­че­ско­го угле­ро­да (гумус = C_org х 1,72). Цель – свя­зать как мож­но боль­ше угле­ро­да и отпра­вить его на хра­не­ние в виде ста­биль­но­го гуму­са. В этой свя­зи воз­ни­ка­ют вопро­сы: как вооб­ще обра­зу­ет­ся ста­биль­ная фор­ма гуму­са и насколь­ко мож­но управ­лять его образованием?

Учения старое и новое

Дви­жу­щей силой обра­зо­ва­ния орга­ни­че­ской суб­стан­ции явля­ет­ся фото­син­тез – про­цесс, наде­ля­ю­щий рас­те­ния спо­соб­но­стью пре­об­ра­зо­вы­вать угле­кис­лый газ из атмо­сфе­ры в саха­ра при непо­сред­ствен­ном уча­стии све­та и воды. Для обра­зо­ва­ния энзи­мов, из кото­рых затем созда­ют­ся длин­ные цепоч­ки угле­во­дов, жиров и ами­но­кис­лот, рас­те­ни­ям необ­хо­ди­мо шест­на­дцать раз­лич­ных мине­раль­ных веществ и мик­ро­эле­мен­тов. Основ­ные – азот, фос­фор, сера, каль­ций и маг­ний. Они участ­ву­ют в про­цес­сах фор­ми­ро­ва­ния кле­ток и обес­пе­чи­ва­ют их над­ле­жа­щее функ­ци­о­ни­ро­ва­ние. Калий – исклю­чи­тель­но функ­ци­о­наль­ный эле­мент, при­сут­ству­ю­щий толь­ко в кле­точ­ном соке.

20 – 30 % обра­зо­ван­ной в про­цес­се фото­син­те­за энер­гии потреб­ля­ет­ся кор­не­вой систе­мой рас­те­ния. Ее экс­су­да­ты и отмер­шие кор­не­вые волос­ки в свою оче­редь высту­па­ют основ­ным источ­ни­ком пита­ния для мик­ро­ор­га­низ­мов. Так, по отдель­ным иссле­до­ва­ни­ям, здо­ро­вые посе­вы куку­ру­зы за веге­та­ци­он­ный пери­од выде­ля­ют в поч­ву до 1 000 т / га (100 л / м³) бога­тых угле­во­да­ми экс­су­да­тов и с тем при­вно­сят в нее угле­род. Имен­но поэто­му при под­бо­ре про­ме­жу­точ­ной куль­ту­ры более важ­ным кри­те­ри­ем явля­ет­ся спо­соб­ность рас­те­ния к раз­ви­тию мощ­ной кор­не­вой систе­мы, а не потен­ци­аль­ный выход зеле­ной массы.

В соот­вет­ствии с тра­ди­ци­он­ным под­хо­дом в рас­смот­ре­нии про­цес­сов гуму­со­об­ра­зо­ва­ния, бога­тые угле­во­да­ми и бел­ка­ми рас­ти­тель­ные остат­ки и обра­зу­е­мый из них лабиль­ный гумус явля­ют­ся пищей для поч­во­оби­та­ю­щих орга­низ­мов, мине­ра­ли­зо­ван­ные про­дук­ты их раз­ло­же­ния в свою оче­редь слу­жат пита­ни­ем для рас­те­ний, а ста­биль­ный гумус пред­став­ля­ет собой скоп­ле­ние мак­ро­мо­ле­кул, обра­зо­ван­ных из рас­ти­тель­ных остат­ков, бога­тых лиг­ни­ном. И если уча­сток зем­ли не отли­ча­ет­ся избы­точ­ным увлаж­не­ни­ем или чрез­мер­ной сухо­стью, если поч­вен­ная сре­да не слиш­ком кис­лая, а тем­пе­ра­ту­ра не слиш­ком низ­кая, все рас­ти­тель­ные остат­ки, отмер­шие мик­ро­ор­га­низ­мы и выде­ле­ния кор­ней раз­ла­га­ют­ся до угле­кис­ло­ты. Обра­зо­ва­ние гуму­са воз­мож­но, толь­ко если про­цесс раз­ло­же­ния будет пре­рван и угле­род стабилизирован.

Новые иссле­до­ва­ния смог­ли дока­зать, что ста­биль­ный гумус обра­зу­ет­ся на поч­вен­ных агре­га­тах и поверх­но­стях мине­ра­лов лишь в резуль­та­те ста­би­ли­за­ции гуми­но­вых веществ (C_org) окси­да­ми метал­лов. Источ­ни­ком угле­ро­да при этом могут являть­ся как угле­во­ды, так и бел­ки, постав­ля­е­мые преж­де все­го корнями.

О роли металлов и корней

На кис­лых поч­вах (рН <5) погло­ще­ние угле­ро­да (C_org) боль­шей частью про­ис­хо­дит за счет желе­зо- и алю­ми­ний­со­дер­жа­щих ком­плек­сов (рису­нок, вся гра­фи­че­ская инфор­ма­ция пред­став­ле­на в печат­ной вер­сии жур­на­ла). В под­зо­ли­стых поч­вах (рН = 3) орга­ни­че­ский угле­род откла­ды­ва­ет­ся в орт­штей­но­вых гори­зон­тах в виде гума­тов желе­за и полу­тор­ных окис­лов. Такие поч­вы для сель­ско­го хозяй­ства не годятся.

В поч­вах со сла­бо выра­жен­ной кис­лой сре­дой (рН 5,5 – 6,5) орга­ни­че­ский угле­род будет сохра­нять­ся пре­иму­ще­ствен­но в фор­мах ней­траль­ных сили­ка­тов, а не окси­дов желе­за и алю­ми­ния. Каль­ций, посту­па­ю­щий в резуль­та­те обмен­ных про­цес­сов, игра­ет незна­чи­тель­ную роль. Дан­ный меха­низм может доволь­но эффек­тив­но про­те­кать в поч­вах вул­ка­ни­че­ско­го про­ис­хож­де­ния в усло­ви­ях влаж­ных тро­пи­ков. Поч­вы тако­го уров­ня рН в наших широ­тах обыч­но под­вер­же­ны эро­зии и заили­ва­нию и не отли­ча­ют­ся хоро­шей несу­щей спо­соб­но­стью. В пес­ча­ных поч­вах содер­жа­ние гуму­са низ­кое – C_org менее 1 %, и толь­ко лишь за счет поступ­ле­ний орга­ни­че­ской мас­сы его не повы­сить. Одна­ко сие ста­но­вит­ся воз­мож­ным на поч­вах с рН 6,5 и более высо­кой долей содер­жа­ния гли­ны, в иде­а­ле – 20 – 30 %. В таких поч­вах каль­ций свя­зы­ва­ет орга­ни­че­ский угле­род с мине­ра­ла­ми гли­ны в ста­биль­ные гли­ни­сто-гуму­со­вые ком­плек­сы. Оксид каль­ция, нали­чие кото­ро­го в сво­бод­ном досту­пе пред­по­ла­га­ет­ся при рН 7, будет спо­соб­ство­вать процессу.

Иссле­дуя чер­но­зе­мы в Австрии (рН >7, оксид каль­ция в сво­бод­ном досту­пе), уче­ные уста­но­ви­ли, что более 90 % угле­ро­да свя­за­но в мине­ра­лах гли­ны и поч­вен­ных агре­га­тах. Угле­род в наи­бо­лее ста­биль­ной фор­ме обна­ру­жи­вал­ся на гли­ни­стых мине­ра­лах, источ­ни­ком его поступ­ле­ния были кор­не­вые экс­су­да­ты и остан­ки мик­ро­ор­га­низ­мов. В поч­ве в виде ста­биль­но­го гуму­са сохра­ня­ет­ся 46 % угле­ро­да, посту­пив­ше­го с экс­су­да­том кор­ней, и 8 % – обра­зо­ван­но­го за счет раз­ло­же­ния кор­не­вых побе­гов. Поэто­му кор­ни и поч­вен­ная фау­на игра­ют цен­траль­ную роль в про­цес­се гуму­со­об­ра­зо­ва­ния, а исполь­зо­ва­ние все­го веге­та­ци­он­но­го пери­о­да за счет высе­ва наря­ду с основ­ны­ми куль­ту­ра­ми про­ме­жу­точ­ных или покров­ных – наи­бо­лее эффек­тив­ный путь к полу­че­нию бога­тых гуму­сом почв.

Плюс на минус

Гуми­но­вые веще­ства и гли­ни­стые мине­ра­лы – кол­ло­и­ды, име­ю­щие отри­ца­тель­ный заряд ионов. Цен­ность при­сут­ствия кати­о­нов состо­ит в том, что они, всту­пая в связь с нега­тив­но заря­жен­ны­ми кол­ло­и­да­ми, обра­зу­ют проч­ные свя­зи. Самая эффек­тив­ная связь из таких на поч­вах сель­ско­хо­зяй­ствен­но­го поль­зо­ва­ния, когда заря­жен­ные поло­жи­тель­но части­цы каль­ция (Са²⁺), всту­пив в реак­цию, свя­зы­ва­ют друг с дру­гом гли­ну и гумус и обра­зу­ют поч­вен­ные агре­га­ты. Дан­ный про­цесс назы­ва­ет­ся фло­ку­ля­ци­ей и явля­ет­ся под­го­то­ви­тель­ным эта­пом обра­зо­ва­ния ста­биль­ной поч­вен­ной части­цы. Для успеш­но­го фор­ми­ро­ва­ния поч­вен­ных агре­га­тов кол­ло­и­ды суглин­ков долж­ны быть насы­ще­ны на 70 – 80 % каль­ци­ем, на 10 % – маг­ни­ем и на 5 % – калием.

Воз­ни­ка­ет вопрос, не явля­ют­ся ли гли­ни­стые мине­ра­лы и кати­о­ны каль­ция огра­ни­чи­ва­ю­щи­ми фак­то­ра­ми гуму­со­об­ра­зо­ва­ния? Уста­нов­лен­ный факт: суглин­ки с окси­дом каль­ция в досту­пе отли­ча­ют­ся наи­бо­лее высо­ким содер­жа­ни­ем гумуса.

Оптимальное соотношение

Уче­ные Швей­цар­ско­го тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та исхо­дят из того, что объ­ем орга­ни­че­ско­го угле­ро­да, кото­рый мож­но сохра­нить в поч­ве, зави­сит от содер­жа­ния гли­ны, и реко­мен­ду­ют соот­но­ше­ние 10:1 как опти­маль­ное. Таким обра­зом, лег­кие поч­вы с 10-про­цент­ным содер­жа­ни­ем гли­ни­стых мине­ра­лов могут быть обо­га­ще­ны одним про­цен­том орга­ни­че­ско­го угле­ро­да (око­ло 1,7 % гуму­са), а тяже­лые поч­вы, содер­жа­щие до 30 % гли­ни­стых мине­ра­лов, могут пре­тен­до­вать на 5-про­цент­ное обо­га­ще­ние гуму­сом. Одна­ко целе­со­об­раз­но стре­мить­ся к тако­му уров­ню гуму­са, при кото­ром опти­маль­но будут про­те­кать био­ло­ги­че­ские, хими­че­ские и физи­че­ские про­цес­сы в поч­ве, сфор­ми­ру­ет­ся тре­бу­е­мое плодородие.

Посколь­ку гумус состо­ит в основ­ном из угле­ро­да и азо­та, в гон­ке за нара­щи­ва­ни­ем пло­до­ро­дия на опре­де­лен­ные гра­ни­цы могут натолк­нуть­ся орга­ни­че­ские зем­ле­дель­цы: что­бы 20-сан­ти­мет­ро­вый пахот­ный слой обо­га­тить 0,1 % угле­ро­да (при­мер­но 0,2 % или ок. 5 000 кг / га гуму­са), при тре­бу­е­мом соот­но­ше­нии угле­ро­да и азо­та 10:1 необ­хо­ди­мо вне­сти азо­та в д. в. 300 кг / га.

Улуч­шить каче­ство почв c точ­ки зре­ния повы­ше­ния их устой­чи­во­сти к эро­зии, улуч­ше­ния инфиль­тра­ции, вла­го­сбе­ре­же­ния и про­ни­зан­но­сти кор­ня­ми – боль­шая зада­ча в све­те кли­ма­ти­че­ских изме­не­ний. Толь­ко за счет сево­обо­ро­тов, при­ме­не­ния бес­плуж­ной поч­во­об­ра­бот­ки, высе­ва про­ме­жу­точ­ных и муль­чи­ру­е­мых куль­тур это­го не добить­ся. Успех от дан­ных меро­при­я­тий и про­цес­са гуму­со­об­ра­зо­ва­ния зача­стую руи­ни­ру­ет­ся недо­ста­точ­ным содер­жа­ни­ем окси­да каль­ция в поч­ве, а с ним кати­о­нов, спо­соб­ных урав­но­ве­сить отри­ца­тель­но заря­жен­ные части­цы поч­вен­но­го раствора.

Обсле­до­ва­ние сель­ско­хо­зяй­ствен­ных уго­дий в Гер­ма­нии в квад­ра­те 8 х 8 км выяви­ло 3 100 земель­ных участ­ков, где дефи­цит изве­сти был боль­ше, неже­ли гуму­са. Вне­се­ние удоб­ре­ний в соот­вет­ствии с резуль­та­та­ми поч­вен­но­го ана­ли­за – отлич­ная осно­ва для орга­ни­за­ции гар­мо­нич­но­го пита­ния рас­те­ний. Но сто­ит пом­нить, что избы­ток калия и маг­ния нега­тив­но вли­я­ет на струк­ту­ру поч­вы. Хозяй­ствам, при­ме­ня­ю­щим орга­ни­че­ские удоб­ре­ния, сле­ду­ет дер­жать под кон­тро­лем не толь­ко поступ­ле­ние в поч­ву азо­та и фос­фо­ра, но и емкость кати­он­но­го обме­на, несмот­ря на опти­маль­ное зна­че­ние рН.

Если с кис­лот­но­стью поч­вы все в поряд­ке, а в увлаж­нен­ной и укры­той от солн­ца соло­мой поч­ве име­ет­ся доста­точ­ное пита­ние, при­сут­ству­ет кис­ло­род, то бога­тая внут­ри­поч­вен­ная жизнь, спо­соб­ству­ю­щая укреп­ле­нию струк­ту­ры поч­вы, не заста­вит себя дол­го ждать. Каль­ций спо­соб­ству­ет фло­ку­ля­ции кол­ло­и­дов, кото­рая явля­ет­ся пред­сту­пе­нью обра­зо­ва­ния поч­вен­ных агре­га­тов и ста­би­ли­зи­ру­ет гумус. Улуч­шен­ная в резуль­та­те исполь­зо­ва­ния изве­сти или дру­го­го мели­о­ран­та поч­вен­ная струк­ту­ра будет отли­чать­ся хоро­ши­ми инфиль­тра­ци­он­ны­ми свой­ства­ми, что поз­во­лит сохра­нять вла­гу для воз­мож­но­сти ее исполь­зо­ва­ния рас­те­ни­я­ми в засуш­ли­вые пери­о­ды. Не гумус удер­жи­ва­ет вла­гу, а поч­вен­ные поры, раз­мер кото­рых зави­сит от при­сут­ствия гуму­са и каль­ция. Пред­при­я­ти­ям, хозяй­ству­ю­щим на поч­вах с опти­маль­ным содер­жа­ни­ем гуму­са, или повез­ло с место­рас­по­ло­же­ни­ем – в поч­ве от при­ро­ды доста­точ­но окси­да каль­ция, или их вла­дель­цы узна­ли цен­ность таких мели­о­ран­тов, как гипс и известь, и за счет их исполь­зо­ва­ния смог­ли вос­ста­но­вить кати­он­но-ион­ное рав­но­ве­сие в почве.