Гумус как источник минеральных веществ
26.08.2012
Разложение гумуса с выделением СО2, при наличии влажности и притока кислорода, было показано еще опытами Интенгуза и Соссюра,. и в дальнейшем было подтверждено многочисленными более точными исследованиями, установившими, что разложение вызывается деятельностью микроорганизмов и что энергия ого находится в зависимости от ряда внешних условий и состава среды. Этими же исследованиями было выяснено, что разложение сопровождается не только выделением СО2, но и образованием аммиака, который при благоприятных условиях переходит в нитраты под влиянием нитрифицирующих бактерий; одновременно с разложением органического вещества наблюдается и отщепление связанных с ним зольных элементов в форме солей минеральных кислот.
Коренвиндеру принадлежит первая попытка количественного учета выделяющейся углекислоты с определенной площади почвы в лабораторных условиях (при постоянной влажности и температуре). Полученные им результаты привели к выводу, что при этих условиях за сутки выделяется от 70 до 319 кг СО2 на 1 га. Исследования Костычева и Нерода с черноземами и дерновым слоем луговой почвы показали, что для черноземов количество выделяющейся СО2 колебалось от 15 до 77 кг/га, или от 1,5 до 7,7 г/м2, в зависимости от температуры и уплотнения почвы. Гораздо более значительные количества (200-240 кг/га) выделялись при разложении дернового слоя луговой почвы благодаря наличию неразложившихся остатков. На основании этих данных и принимая во внимание температуру и продолжительность вегетационного периода, Костычев пришел к выводу, что при достаточной влажности в северной части черноземной области может разлагаться ежегодно около 1,5-2,0 т гумуса, а в более южных районах - в несколько раз больше (причем принимался во внимание только верхний слой почвы).
По данным позднейших исследований оказалось, что количество СО2, выделяющееся с 1 м2 почвы в течение суток, колеблется от 2,6 да 50 г, что соответствует 20-500 кг СО2 на 1 га. Если принять во внимание, что в 1 м3 воздуха при 0,03% СО2 (по объему) содержится только 0,58 г углекислоты, а ежедневное потребление СО2 растениями при хорошем урожае не менее 10-15 г СО2 на 1 м2, что соответствует 20-30-метровому слою воздуха, то нетрудно прийти к заключению, что выделяющаяся при разложении гумуса углекислота имеет весьма важное значение в качестве источника питания растений углеродом благодаря непосредственной близости этого источника к ассимилирующим органам. На это значение гумуса указав еще Либих, в последнее время на него обращено внимание в работах Лундегорда, Роммеля и др. Рэссель в своей известной книге «Почвенные условия и рост растений» приводит интересную таблицу замечательного соответствия между продуктивностью почв и поглощением ими кислорода (при образовании СО2) по данным, полученным для почв Вобурна.
Еще более, быть может, важно значение гумуса как источника минерального азота. Многочисленные исследования этого вопроса привели к совершенно определенному заключению, что разложение гумуса, особенно в культурных почвах, сопровождается выделением азота в форме аммиака и нитратов, причем количества последних могут достигать при благоприятных условиях громадных размеров. Так, па паровых полях в подзолистой зоне накопление нитратов ко времени посева может достигать 0,5-1,0 т селитры на 1 га, а в черноземах даже до 2,5 т/га. Эти количества значительно превосходят потребность культурных растений в азоте, и большая часть образующихся нитратов либо снова подвергается метаморфозу в органическую форму под влиянием микроорганизмов, разлагающих безазотистые соединения, либо теряется из почвы путем вымывания, а в сухих областях может накапливаться в виде залежей селитры.
Разложение гумуса в естественных почвах компенсируется его новообразованием, и изменения его содержания происходят очень медленно, особенно в незаболоченных «минеральных» почвах, исключая отдельные случаи, часто обязанные вмешательству человека. В культурных почвах процессы разложения усиливаются благодаря влиянию обработки и уменьшению поступления органических остатков вследствие отчуждения урожая. Поэтому естественно, что продолжительная обработка может сопровождаться значительным уменьшением гумуса.
Имеющиеся по этому вопросу исследования дают очень различные размеры потери, что объясняется как природой почв и гумуса, а следовательно, и общими естественноисторическими условиями, так и системой агротехники, т. е. обработкой, удобрениями, характером культур и севооборотом.
Влияние внешних условий - температуры и влажности - на разложение гумуса в общем сходно с влиянием на разложение свежих растительных остатков; по сравнению с последними разложение идет более медленно, вызываясь специфической (аутохтонной) микрофлорой, причем оптимальная температура разложения значительно выше, чем для свежих растительных остатков. Разложение, как и в случае последних, идет более энергично в начале опыта, что объясняется улучшением условий аэрации, потом оно снижается до более или менее постоянного уровня. Значительные различия в энергии разложения в зависимости от температуры относятся к начальным фазам разложения; имеет ли здесь место приближение к одинаковой скорости при разных температурах, как это отмечено Ваксманом и Геретсеном в длительных опытах по разложению овсяной соломы, пока неизвестно. Принимая, однако, во внимание, что в природных условиях благодаря чередованию увлажнения и просыхания периодически происходит улучшение аэрации, можно предполагать, что при достаточной влажности энергия разложения в общем должна быть тем больше, чем выше температура.
Влияние влаги на энергию разложения резко сказывается только при крайних степенях увлажнения, т. е. при недостатке или, наоборот, при избытке влаги. По опытам Ваксмана и Пурвиса, разложение торфа зависит главным образом от влажности, которой определяется аэрация, а следовательно, состав и активность микрофлоры.
Влияние состава гумуса на скорость его разложения пока мало изучено. По опытам Стаклазы и Эрнеста, количество выделяющейся углекислоты не пропорционально общему количеству гумуса, а только известной его части, более легко усвояемой микроорганизмами. На основании общих данных о составе гумуса можно предполагать, что этой частью являются вещества, поддающиеся кислому гидролизу, т. е. полисахариды и гидролизуемая часть азотистых соединений. Это предположение отчасти подтверждается имеющимися экспериментальными данными и сравнительными исследованиями состава гумуса естественных и культурных почв. В частности, этому предположению соответствует резкое изменение в составе гумуса подзолистых почв при обращении их из-под леса в сельскохозяйственное пользование. Однако для почв сухих областей со слабощелочной реакцией можно предполагать более быстрое разложение фракции, гидролизуемой при щелочной реакции.
Что же касается гуминовых веществ, то немногочисленные данные по этому вопросу пока противоречивы. Гоппе-Зейлер на основании химических исследований и общих соображений высказал взгляд о чрезвычайной устойчивости гуминовых веществ и их неспособности к разложению. Проверка этого взгляда Рейнитцером показала, что на выделенной обыкновенным способом гуминовой кислоте развивались плесени, и только препарат, подвергнутый гидролизу кислотой (для удаления предполагаемых углеводов), обнаружил неспособность к развитию на нем микроорганизмов. Однако и этот препарат, как оказалось, может служить источником азота (в присутствии углеводов). П. Слезкин нашел, что гумат кальция не подвергается нападению плесневых грибов. По поводу этих выводов, однако, можно отметить то же самое, что и по поводу препаратов лигнина, так как несомненно, что операция выделения гуминовой кислоты, а особенно ее гидролиз минеральными кислотами, изменяет ее природные свойства.
По исследованиям В. Г. Дубова, определявшего гуминовую кислоту (α-гумус) по методу Ваксмана, содержание ее при культуре уменьшилось сильнее, чем общее содержание гумуса. Однако неизвестно, является ли это результатом разложения гуминовой кислоты или отчасти обязано процессам вымывания ее в подпахотные горизонты. Значение состава гумуса сильно сказывается на процессах минерализации азота, так как при широком соотношении С : N и наличии углеводов выделения аммиака не происходит, несмотря на значительную энергию процессов разложения, сопровождающихся выделением СО2. Наоборот, при очень узком соотношении С : N наблюдается более значительное выделение аммиака, чем СО2. В большинстве минеральных почв соотношение С : N колеблется в пределах 10 : 1 - 15 : 1, при которых минерализация углерода и азота происходит примерно в тех же отношениях, т. е. разложение безазотистых и азотистых соединений идет приблизительно с одинаковой скоростью.
Ряд наблюдений приводит к выводу о зависимости энергии разложения гумуса от реакции почвы. При изменении рН от кислых значений до слабощелочных энергия разложения повышается. О соответствующих изменениях состава микрофлоры и процессов минерализации азота в зависимости от реакции было сказано раньше. При кислой реакции и недостатке оснований минерализация азота обычно останавливается на стадии образования аммиака, тогда как при нейтральной и слабощелочной реакциях и достаточной буферности среды аммиак быстро превращается в нитраты. Соотношением С : N и реакцией объясняется различное поведение муллевых и грубогумусовых почв под лесом; в первых наблюдается довольно энергичная нитрификация, тогда как во вторых она подавлена, и минерализация азота выражается обычно только в накоплении аммиака. Известные но этому вопросу выводы Борнебуша, Хессельмана, Роммеля и Хейберга, Немеца и Квапиля подтверждаются и нашими наблюдениями для лесных почв Ленинградской области.
