Спецвозможности
Аналитика

Как формируется органический слой в почве?

11.11.2020
1631
Как формируется органический слой в почве? фото, иллюстрация
Посмотрим на состояние пахотных земель в Украине. В обработке находится более 32 млн га. Уровень распаханности территории высокий - 56,8%. Дополнительно распахивать новые территории и создавать новые площади пахотных земель в будущем уже нигде. Поэтому мы должны беречь те пахотные земли, которые имеем сейчас.
 
К сожалению, итоги активного хозяйственного использования пахотных земель в нашей стране сегодня достаточно тревожные. Прежде всего - это результат недостаточного уровня агрономического обеспечения хозяйственной деятельности. Такое утверждение, конечно, должно быть обоснованным, ведь валовые сборы пшеницы озимой, кукурузы, ячменя, подсолнечника, сои и других культур сегодня являются важной частью экспортной продукции страны. Валовые сборы названных культур в последние годы достаточно весомые и составляют почти 40% стоимости всего экспорта Украины.

 

Однако целесообразно вернуться к современному состоянию пахотных земель. Практика работы аграриев последних десятилетий доказывает целесообразность применения на пахотных землях нового изобретения - деструкторов. Почему возникла необходимость в дополнительном применении веществ и микроорганизмов для усиления процессов минерализации органических остатков на полях? Почему еще 100 лет назад такой необходимости не было? Тогда не было еще такого мощного деструктивного антропного давления на пахотные земли. Сегодня, к сожалению, это явление является неоспоримым фактом. Такое давление проявляется в различных формах. Прежде всего именно превращение территории в пахотные земли предполагает уничтожение большинства видов растений, которые там вегетировали.
 
Земледельцу нужна пашня для выращивания посевов культурных растений. Одновременно происходят радикальные изменения в существовании организмов, живущих в почве. Потеря на территории многих видов зеленых растений (естественная растительность), которые были продуцентами и донорами органических веществ для микроорганизмов, приводит к отмиранию последних и исчезновению из-за отсутствия источника получения энергии. Микрофлора почвы на пахотных землях становится гораздо беднее по сравнению с видовым богатством, которое было в состоянии залежи или целины. У комплекса микрофлоры пахотных земель наблюдается снижение способности к саморегуляции: чем больше видовое разнообразие, тем устойчивее биоценоз.

Однако это еще далеко не все проблемы в существовании почвенной микрофлоры. Уменьшение количества имеющихся органических веществ в пахотном слое (в частности объемов органического углерода), прежде всего гумуса, снижает уровень обеспечения сапрофитных видов микроорганизмов энергией и необходимыми веществами. Активность микробиологической деятельности в пахотном слое постепенно уменьшается. Такие деструктивные процессы усиливает широкая практика применения минеральных удобрений, особенно высокие нормы внесения азотных. Подавляет активность микрофлоры пахотного слоя и применение всех форм пестицидов: протравителей семян, фунгицидов, инсектицидов и гербицидов (особенно форм, которые вносят в почву).
 
Ко всем названным факторам следует добавить еще и постепенное изменение климата. За последние годы продолжительность теплого периода года (порог 10°С) достоверно вырос на 16 суток. Температура воздуха в различных регионах увеличилась в среднем на 25-30% от средних многолетних показателей. В то же время количество осадков в стране осталось в прежних объемах. При таких условиях интенсивность процессов испарения воды из пахотных земель растет, а соответственно, увеличивается и дефицит воды в пахотном слое. Из-за недостатка влаги активность почвенной микрофлоры, которая и так находится в подавленном состоянии, почти затухает.

Сухая осень не способна активизировать работу почвенной микрофлоры. Поздние осенние осадки ситуации не меняют, поскольку уменьшение температуры ниже 5°С, даже при наличии влаги в пахотном слое, ограничивает микробиологическую активность почвенных комплексов. Весенний период года при наступлении сухой погоды становится слишком коротким для обеспечения активных процессов минерализации органических остатков. А вследствие угнетения микробиологической активности падает и способность свободноживущих бактерий (Asotobacter) фиксировать атмосферный азот в доступные для растений соединения. В регионах с интенсивным современным земледелием это явление потери способности почв фиксировать азот приобретает все большее распространение. В таких условиях микрофлора не способна на активные процессы естественной минерализации органических остатков на полях. Поэтому и возникает вынужденная потребность в применении деструкторов.

В условиях подавления активности почвенной микрофлоры формирование богатых видами и полноценных ризобиальных зон на корнях культурных растений в посевах сильно затруднено и часто неполноцено. Соответственно, даже при наличии всех пяти незаменимых факторов для развития зеленых растений условия их вегетации могут быть далеки от оптимальных.

Напомним уважаемым читателям общеизвестную аксиому: чем больше условия вегетации растения отклоняются от оптимальных для них показателей, тем больше проявляется снижение уровня их биологической продуктивности. Значительные отклонения - это стрессы для растений. А они, как известно, могут быть разные:
 
температурные - как высокие, так и низкие;
 
водные - как дефицит, так и избыток влаги;
 
дефицит воздуха - как свободного кислорода, так и углекислого газа;
 
потребности минерального питания - как дефицит, так и избыток, или нарушения соотношений макро-, мезо-, микроэлементов;
 
дефицит интенсивности потока энергии света, дефицит гормонов и тому подобное.

Значительные колебания названных показателей относительно нормативных частично способны компенсировать и сделать более приемлемыми для зеленых растений комплексы живых организмов, сосуществующих с ними в симбиозе в ризобиальной зоне. Однако это возможно только в том случае, когда такие комплексы сами способны будут выживать условиях под влиянием антропного пресса интенсивного современного земледелия.

То есть в условиях ведения современного интенсивного земледелия и применения соответствующих технологий выращивания посевов агрокультур мы все больше заходим в тупик. Увеличение объемов внесения минеральных удобрений, широкая практика использования пестицидов, внедрение современных сортов и гибридов не обеспечивают адекватного повышения уровня урожайности посевов без положительного решения проблем с живыми комплексами, которые кратко названы в приведенном материале.
 
В данный момент мы не намерены подробно останавливаться на таких важных для пахотных земель вопросах, как структура посевов, севооборот, баланс гумуса и минерального питания, защита пахотных земель от эрозии, системы мер накопления, хранения и рационального использования влаги. Все они важны и заслуживают отдельного детального анализа.

Коротко остановимся на элементах биохимизма и физиологии растений и их взаимосвязи с окружающей средой, в которой они вегетируют.

Процессы, обеспечивающие сам факт жизни любого живого организма - сложные и одновременно совершенные. Биохимия в живых клетках - это химия в высочайшей мере организованной материи. Для протекания биохимических процессов живые клетки используют действие специфических катализаторов - белков-ферментов. Именно ферменты обеспечивают биохимические реакции в относительно мягких условиях, умеренной температуры и давления, невысокой концентрации ионов водорода. Биохимические реакции происходят со 100%-ным выходом конечного продукта без образования побочных веществ.

Если оценивать все формы жизни на планете, в том числе и зеленых растений, которые известны сегодня, правомерно утверждать, что живые организмы используют лишь 27 химических элементов из известных 92, существующих в природе. Если оценивать растения по их химическому составу, то 99% их массы составляют: водород (H), кислород (O), углерод (C) и азот (N). В массе растений около 75% - это вода. В сухом веществе растений углерод составляет - 50-60%, азот - 8-10%, кислород - 25-30%, водород — 3–4%.
 
Следующие восемь химических элементов в живых клетках - такие же, как и в морской воде (подобный химический состав и в лимфе и плазме крови человека, что указывает на общность происхождения всех форм жизни из моря).
 
Соответственно, морские организмы (рыбы, водоросли и другие формы жизни) содержат в своем составе не только макро-, но и мезо- и микроэлементы в пропорциях, которые близки для большинства форм жизни. Нет особой нужды уточнять роль и значение микроэлементов для жизни растений.. Большинство агрономов ориентируются в таком важном вопросе. В морской воде есть все известные химические элементы. Соответственно, они имеются и во всех организмах, живущих в такой среде. Если в условиях почвы микроэлементы могут быть очень прочно химически связаны с материнской породой и для того, чтобы их добыть, зеленым растениям крайне необходима помощь почвенного комплекса микроорганизмов (прежде всего сапрофитных грибов), то из морских организмов такие соединения получать несложно.

Молекула білку під мікроскопом

Сложные и совершенные биохимические процессы в клетках растений происходят в результате активности белков-ферментов. Для того, чтобы они были способны выполнять свои каталитические функции, они должны иметь соответствующую первичную, вторичную, третичную структуру и активное (естественное) состояние. Традиционно белки-ферменты имеют большие молекулы (от 12 тыс. до 1 млн аминокислот). Для каталитической активности многих ферментов нужен дополнительный компонент - кофактор. Роль кофакторов выполняют ионы различных металлов. Это прежде всего те химические элементы, которые называют микроэлементами: Fe, Mn, Zn и другие, - или сложные органические вещества, которые называют коферментами.

Коферменты и ионы металлов термостабильны, а белковая часть ферментов - апоферменты - в условиях нагревания (более 60°С) денатурирует. Денатурированные белки - ферменты теряют свои каталитические свойства и не способны обеспечивать соответствующие биохимические реакции.

В основе жизни всех зеленых растений лежит главный по значению процесс - фотосинтез. На пахотных землях мы имеем дело с растениями, имеющими разные пути фотосинтеза: С3 и С4. Первый - характерен для растений, которые были сформированы в умеренных широтах: пшеница, ячмень, горох, сахарная свекла, марь, горец, ярутка и другие. Второй путь фотосинтеза (С4) присущ растениям тропического происхождения: кукуруза, сорго, просо, амарант, сорго алеппское, ежовник и другие. На первый взгляд, какая разница между такими путями? Главное, чтобы растения формировали весомый урожай! Однако именно для формирования такого урожая мы должны учитывать эти особенности и, соответственно, разные требования растений к условиям вегетации.

Не будем детализировать на данный особенности биохимизма процессов фотосинтеза. Остановимся конкретнее на требованиях растений с разными путями фотосинтеза относительно оптимальных для них условиях внешней среды. Этот вопрос актуален для аграриев, которые работают на пахотных землях. Оптимальной температурой, которая обеспечивает самую высокую производительность процессов фотосинтеза у растений, у которых он протекает по пути С3, является 19-24°С. С повышением температуры сверх указанных пределов наступает температурное угнетение процессов фотосинтеза посевов пшеницы и других растений.

У растений с путем фотосинтеза С4 самая высокая производительность проявляется в температурном диапазоне 25-30°С. Соответственно, температурная депрессия наступает при более высоких температурах. При умеренных температурах (ниже 20°С) растения с путем фотосинтеза С4 преимуществ по уровню биологической продуктивности перед растениями с дорогой С3 не имеют. Такие преимущества проявляются только в условиях высоких температур, особенно в среде с низким содержанием в приземном воздухе углекислого газа (СО2). Поскольку тенденция потепления климата усиливается, то преимущества растений с фотосинтезом С4 будут расти.

Целесообразно кратко напомнить и о роли растительных гормонов. Как известно, гормоны - это специфические вещества, способные осуществлять химическую регуляцию этапов органогенеза организмов разных уровней организации - от человека к растениям.
 
Ауксины и ауксиноподобные вещества. Название терминов происходит от греческого слова - «расти, увеличиваться». Фитогормоны - ауксины, синтезирующие не только клетки зеленых растений, но и микроорганизмы, которые живут в симбиозе с корнями зеленых растений. Кроме ростовых процессов, ауксины проявляют влияние на интенсивность транслокации веществ, процессы окисления, декарбоксилирования, конъюгации и тому подобное.
 
Гиббереллины - вещества, регулирующие процессы роста и развития, начиная от биохимизма процессов прорастания семян, удлинения стеблей до формирования и развития генеративных структур, процессов цветения.
 
Гиббереллины синтезируют как высшие растения, так и грибы, бактерии, водоросли. По специфике физиологического действия гиббереллинов - это своеобразные антиподы действия цитокининов. Физиологическое действие гиббереллинов своеобразно дополняет действие ауксинов и производит влияние на процессы развития плодов, формирования лубяных волокон в стеблях растений и другие физиологические процессы.
 
Ретарданты - вещества, блокирующие в растениях действие гиббереллинов.
 
Цитокинины - от греческого - «клетка, движение». Это фитогормоны, активизирующие процессы деления клеток. В сочетании с гиббереллинами они способствуют процессам удлинения и роста стеблей (как природные гормоны ауксин и цитозин). Цитокинины активно влияют на процессы деления клеток, дифференциацию клеток каллуса. Кроме того, регулируют процессы фотосинтеза, уровень развития и активность боковых почек, индуцируют процессы цветения при неблагоприятной для растений продолжительности фотопериода.

Отметим, что здесь приведены лишь основные группы фитогормонов и их общие возможности активно влиять на биохимические и физиологические процессы в растениях. Для правильного восприятия сложности биохимической картины действия фитогормонов приведем такой пример. Только гиббереллинов сегодня известно 136 различных по химическому строению и специфике действия веществ. Соответственно, нарушение нормального гормонального статуса у растений приводит к значительным изменениям уровня их биологической продуктивности. Подавление уровня микробиологической активности почвенной микрофлоры через ризобиальную зону непосредственно влияет и на гормональный статус культурных растений в посевах, вегетирующих на таких землях.

Перед аграрным производством планеты все более актуальной становится проблема: как решать и гармонизировать названные проблемы между почвенными комплексами микроорганизмов и зелеными культурными растениями? Для каждой аграрной страны острота таких проблем - своя, специфическая для ее условий, однако в результате деградации пахотных земель она быстро усиливается.

Ученые разрабатывают различные решения такого комплекса проблем. Прежде всего это система мер противостояния активным эрозионным процессам пахотных земель. Не менее важным решением являются системы мер по восстановлению уровня плодородия и биологического разнообразия пахотных земель (как зеленых растений, так и микрофлоры). Большое значение имеет также биотехнологическая и селекционная работа с сельскохозяйственными растениями, которая должна улучшить адаптационные возможности их активной вегетации в условиях антропно измененных, с малым биологическим разнообразием, пахотных земель.
 
Есть также и более быстрые, и одновременно достаточно эффективные решения. Это, прежде всего, активное использование экологически безопасных биологически активных природных веществ, поиск которых ученые разных стран ведут уже давно. Особое внимание было обращено на морские объекты - водоросли.

У світі широко практикують комплексне застосування препаратів на основі морських водоростей для надходження органічних речовин у орний шар ґрунту

Водоросли отличаются большим биологическим потенциалом и способны быстро накапливать органические вещества в процессе интенсивного фотосинтеза. Многоклеточные водоросли могут либо свободно плавать в толще воды, либо прикрепляться к морскому дну ризоидами. Поглощение морской воды и необходимых минеральных компонентов из нее происходит всей поверхностью растений. То есть, внутреннее содержание таких растений состоит из необходимых для жизни микроэлементов, ведь в растительных клетках есть фитогормоны, белки - ферменты, полисахара, в том числе гомополисахара и гетерополисахара. Среди гетерополисахаров есть гиалуроновая кислота и ее производные, которые отмечаются очень большой способностью удерживать воду.
 
Сложность заключается в способах получения, сохранения биологической ценности и путях использования таких веществ. Самым простым является внесение свежей измельченной массы водорослей в почву в качестве органического удобрения. Однако такой способ использования возможен только в прибрежной зоне. Свежие водоросли возить на значительное расстояние нецелесообразно. Такая практика известна давно как у американских индейцев, так и у жителей Кореи, Китая, Вьетнама, Японии и других стран.
 
Современная наука в результате выполнения комплексных исследований разработала целый ряд совершенных биологически активных материалов различных форм препаратов и назначения. Одни из них целесообразно вносить в почву, другие - лучше наносить на корни рассады или на семена сельскохозяйственных растений. Поэтому, соответственно, есть препараты, которые могут быть с успехом применены для нанесения на надземные части посевов или насаждений в качестве внекорневых подкормок микроэлементами, гормонами и белками — ферментами.
Поступление органических веществ в пахотный слой не только пополняет депо питательных веществ почвы, но и улучшает ее микробиологическую активность.

А поверхностное нанесение на целевые объекты микроэлементов, гормонов позволяет частично компенсировать их дефицит для агрокультур, которые там вегетируют. Широко практикуют такое комплексное применение препаратов на основе морских водорослей в странах с интенсивным аграрным производством: Нидерландах, Японии, США, Израиле и других, и результаты их использования подтверждают положительное влияние на микрофлору почвы и на посевы сельскохозяйственных растений.

Вместе с тем такое частично положительное действие не способно полностью компенсировать то негативное влияние деструктивной деятельности самого человека на пахотных землях. Поэтому в первую очередь мы должны повернуться лицом к тем проблемам пахотных земель, которые мы сами создаем, игнорируя объективные законы агрономии. Кроме восстановления плодородия пахотных земель, нам нужно снизить уровень антропного давления на растения, вызванный активным применением пестицидов, высокими нормами внесения минеральных удобрений, чрезмерным удельным давлением на почву сельскохозяйственной техники.

Для успешного функционирования аграрного сектора экономики в будущем (а общество без такого производства существовать не способно) продовольственная безопасность людей - одна из важнейших. Мы все обязаны заниматься сохранением и восстановлением уровня плодородия и экологического здоровья своих пахотных земель. За такую заботу земля нам отблагодарит сторицей весомыми и качественными урожаями.

 

О. Иващенко, академик НААН,

Институт биоэнергетических культур и сахарной свеклы НААН

О. Иващенко, д-р с.-х наук, старш. научн. сотрудник,

Институт защиты растений НААН

Журнал «Пропозиція», №8, 2019 р.

Интервью
Директор Сквирської сільськогосподарської дослідної станції Юрій Терновий
15 июня на Сквирской сельскохозяйственной опытной станции проводился ежегодный День поля. Он был посвящен органическому земледелию, ведь это единственная в Украине исследовательская станция, специализацией которой является органическое... Подробнее
Максим Мартинюк  Держгеокадастр
По должности Максиму Мартинюку надлежит заботиться всеми землями государства. Поэтому первый вопрос к голове Госгеокадастра полностью понятен..  

1
0