Органічна речовина ґрунту: опис і вплив на родючість

У межах ґрунтового профілю присутні різноманітні мінеральні та органічні речовини. Ґрунт у своєму складі має як живу біомасу, так і всілякі хімічні сполуки. Без знання їхніх властивостей агроном не зможе ефективно керувати родючістю і збільшувати врожайність. Тому вивчення органічних і мінеральних речовин ґрунту здавна привертає увагу фахівців сільського господарства. В останні роки особливо зріс інтерес до дослідження рослинних і тварин залишків у складі верхнього шару суші. У нашій статті також йтиметься про це.

• Визначення та джерела
• Характер надходження опаду до ґрунту
• Гумифікація
• Характеристики складу
• Лабільна і стабільна групи
• Роль органічної речовини в ґрунті
• Вплив на родючість
• Переробка рослинного опаду
• Фактори, що впливають на гумусоутворення
• Біологічний цикл
• Насамкінець

Визначення та джерела

Отже, органічна речовина ґрунту – це сукупність всієї живої біомаси у формі гумусу і залишків рослин і тварин. Воно відіграє ключову роль у формуванні властивостей ґрунтового шару, з якими пов ‘язані фітосанітарні функції і розвиток родючості.

Головними джерелами органічної речовини в ґрунті виступають відмерлі рослини у вигляді кореневої і надземної мас. У меншій кількості надходять залишки фауни. Їх співвідношення залежить від місцевих умов і складу зональної рослинності. Так, для ґрунтів тундри характерна невелика частка органічних залишків. Потім до тайги, лісів і лісостепів вона наростає. При переході в степову зону опад скорочується внаслідок сухого клімату, зате зростає частка корнеопаду. У пустельних областях частка органічних залишків мінімальна, а в лісах тропіків і субтропіків вона знову різко збільшується.

Характер надходження опаду до ґрунту

Органічні залишки проникають у ґрунтовний профіль неоднаково: в лісах їх основна кількість надходить на поверхню шару, а в трав ‘янистих місцевостях – безпосередньо всередину у формі відмерлих коренів. Від характеру потрапляння в ґрунт опаду залежать подальші процеси його перетворення. У хімічному складі сухих залишків присутні білки, вуглеводи, воски, смоли, лігнін та інші речовини. Також містяться зольні елементи: кремній, калій, магній, кальцій, сірка, фосфор, залізо та ряд інших.

Найбільш швидко гуміфікації і мінералізації піддається опад, який багатий підставами (магнієм, кальцієм) і речовинами, легкодоступними для мікроорганізмів (амінокислотами, білками, розчинними вуглеводами). Рослинні залишки, що містять багато смол, лігнину і дубильних речовин, розкладаються повільно. Що стосується опаду культурних рослин, серед них найшвидше трансформації піддаються залишки бобових трав, а повільніше – солома злакових трав.

Гумифікація

Вступаючи в ґрунт, органічні залишки зазнають різних перетворень, у тому числі біохімічних змін під впливом мікроорганізмів і подрібнення ґрунтової фауною. Основним напрямком таких перетворень виступає гумифікація. Зараз виділяють три варіанти її процесу.

1. Конденсаційна (полімеризаційна) концепція виділяє три етапи гумифікації. Спочатку з відмерлих мікроорганізмів і продуктів розпаду рослин утворюються структурні одиниці, що служать для формування гумусових речовин. Потім за допомогою окислення фенолів до хінонів здійснюється конденсація структурних одиниць. Завершується гумифікація етапом поліконденсації.
2. Концепція біохімічного окислення розглядає процес перетворення органічних залишків як реакцію повільного ферментативного окислення, в результаті якої утворюються гумусові високомолекулярні кислоти, що в подальшому піддаються ароматизації.
3. Біологічна концепція характеризує гумусові речовини як продукт синтезу різних мікроорганізмів і передбачає, що процес гумифікації включає як реакції полімеризації та конденсації, так і реакції біохімічного окислення. Склад гумуса, що вже сформувався, постійно оновлюється за допомогою включення в його молекули окремих фрагментів органічних сполук.

Характеристики складу

Утворення органічної речовини ґрунту відбувається шляхом сполуки органічних залишків відмерлих організмів і продуктів їх гумифікації. До першої групи належать видимі неозброєним оком частини рослин і тварин, а також невелика частка речовин тих чи інших класів органічних сполук (вуглеводів, амінокислот, білків, дубильних речовин, цукрів, ферментів).

Основною органічною речовиною ґрунту виступає гумус – суміш різних за властивостями і складом азовмісних високомолекулярних органічних сполук. За екстрагованістю з ґрунтового шару і розчинності гумусові речовини підрозділюються на фульвокислоти, гумін і гумінові кислоти.

Фульвокислоти є найбільш розчинною і менш складною за будівлею групою. У них нижчі молекулярні маси і висока міграційна здатність. Це найсвітлоокрашеніша частина гумуса, що переважає в підзолистих, червоноземних і сероземних грунтах тропіків. Гумін – речовина, неекстрагована з ґрунтового шару лужами і кислотами. Найбільш міцно він пов ‘язаний з глинними мінералами. Гумінові кислоти – нерозчинна частина гумуса, що характеризується більш складною будовою, високими молекулярними масами і підвищеним вмістом вуглецю. Вони переважають у каштанових, дернових, чорноземних і сірих лісових грунтах.

Лабільна і стабільна групи

Крім вищевикладених характеристик складу органічної речовини ґрунту, існує її поділ на лабільну і стабільну частини. Першу складають рухомі форми гумусу (водорозчинні і слабо закріплені мінералами речовини), передгумусова фракція і рослинні залишки. Лабільна група виступає як основне джерело їжі та енергії для ґрунтової біоти. Також встановлено, що залишки рослин покращують фізико-механічні властивості шару ґрунту.

Стабільну групу складають гумусові речовини, які міцно закріплені сполуками мінералів (гуминово-глинистими комплексами, гуматами кальцію та ін.). Це мінералізується повільно, стійка частина органічної речовини ґрунту. Щоб вона повністю оновилася, потрібні тисячоліття. Стабільний гумус є потенційним резервом різних елементів живлення, але його найбільше агрономічне значення полягає у формуванні сприятливих фізико-механічних і водно-повітряних властивостей ґрунту, а також виконанні ним санітарно-захисних функцій.

Роль органічної речовини в ґрунті

Велика кількість елементарних ґрунтових процесів відбувається за участю гумусових речовин. Це елювіальні, біогенно-акумулятивні, метаморфічні та інші ЕПП. Запаси, склад і вміст органічної речовини в ґрунті служать головними показниками родючості і впливають на всі її властивості і режими.

Жива біомаса є джерелом зольних елементів і азоту, необхідних для живлення рослин. Частина цих речовин засвоюється флорою в ході іонообмінних реакцій або знаходиться в поглиненому стані. Інша частина стає доступною рослинам після вивільнення і мінералізації органічних речовин.

У ґрунті гумус виступає як оптимізатор фізико-хімічних властивостей. Більш гумусовані шари мають високу буферність до окислення-відновлення, кислотно-основних впливів і дії токсикантів. Катіони, поглинені органо-мінеральними колоїдами, стають доступними для рослин і інтенсивно їх живлять.

Також органічна речовина впливає на структуру, механічні та фізичні властивості ґрунтів. Чим вище гумусованість, тим нижче щільність, краще структура і водопрочність структурних агрегатів, більш оптимізовані твердість, пластичність, липкість і питомий опір. За рахунок гумусу ґрунт отримує темне забарвлення, що сприяє поглинанню тепла.

Вплив на родючість

Органічна речовина ґрунту відіграє провідну роль в її біологічному режимі, сприяє збереженню в ній мікроорганізмів і створює для їх функціонування комфортні умови. Висока біологічна активність ґрунтового шару веде до зниження патогенних мікроорганізмів і прискорення мікробіологічної деградації пестицидів.

У формуванні родючості головну роль відіграють гумусові речовини – кінцеві продукти гумифікації. Осадок надземних частин відмираючих рослин створює на поверхні ґрунту шар підстилки. Її річна кількість неоднакова в різних зонах і типах рослинності.

Переробка рослинного опаду

Запас підстилки залежить від швидкості розкладання. Якщо опад багатий дубильними речовинами і сильно лігніфікований, він розкладається набагато повільніше, ніж залишки листяних порід. У розкладанні підстилки беруть участь багато тваринних організмів, що поглинають опад як їжу. У широколічних лісах у справу вступають дощові черв ‘яки, а на кислих грунтах хвойного лісу рослинний опад переробляють головним чином гриби.

Не менш важливі у формуванні гумусу відмираючі корені. По їх масі на першому місці йдуть лугові степи і широколічні ліси, потім – субтропічні і вологі тропічні ліси і, нарешті, пустелі. Високий запас відмираючих коренів під степовою трав ‘яною рослинністю обумовлений переважанням там тонких і легко розкладених рослин. Цей гумус забезпечує високу родючість чорноземних степових ґрунтів.

Фактори, що впливають на гумусоутворення

Вміст органічної речовини в ґрунті багато в чому залежить від температури. Цим пояснюється брак гумусу в тропічних зонах, де при великій вологості і високих температурах сапротфори потужно переробляють залишки. У тундрі, навпаки, активність гетеротрофних організмів дуже мала, і рослинні залишки практично не розкладаються.

Там, де мінералізація органічної речовини відбувається швидко, мінеральні елементи в короткі терміни вивільняються і знову стають доступні зеленим рослинам. Це обумовлює формування великої фітомаси, але і підвищений ризик вимивання з ґрунту мінеральних речовин.

Біологічний цикл

Родючість багато в чому залежить від того, наскільки швидко в ґрунт повертаються відняті у неї елементи. Деякі речовини втрачаються, йдучи через стік з дренуючими водами або потрапляючи в атмосферу. Але такі процеси, як фіксація азоту, відкладення пилу, триваюче вивітрювання, частково відновлюють втрачені елементи.

Загалом зелені рослини більше віддають ґрунту, ніж беруть від нього. Вони виводять відносно не багато розчинених сполук, а повертають значну масу органічних речовин: лігнін, жири, целюлозу, цукру, крохмаль, протеїни тощо. Завдяки цьому можливість розвиватися в ґрунті отримують багато тварин і організмів, що харчуються цими тваринами.

Насамкінець

Отже, органічна речовина ґрунту, по суті, являє собою комплекс живої біомаси, що входить до її складу. Присутність органічних сполук відрізняє ґрунт від материнських порід. Жива біомаса формується в результаті розкладання тваринного і рослинного матеріалів і є найважливішою ланкою обміну речовин неживої і живої природи. Органічна речовина ґрунту багато в чому визначає її біологічні, хімічні та фізичні властивості, а також родючість.

Вміст органічної речовини у ґрунті

Вміст органічної речовини – один із найважливіших показників родючості ґрунту. Її роль у формуванні екологічно стійких агроландшафтів давно відома, проте у гонитві за високими врожаями й економічним «профітом» роль мінеральних добрив зростає, а баланс органічної речовини впевнено «входить у боргову яму». Про це – у журналі “Агроном”.

Звичайно, це не означає, що потрібно відразу переходити до біологічного або органічного землеробства. Основне завдання – розібратися у причинах постійного зменшення вмісту органічної речовини у ґрунті та знайти шляхи вирішення проблеми, щоб запобігти зниженню природної родючості й, відповідно, потенційної врожайності вирощуваних культур. Більшість людей, що працюють у аграрній сфері, розуміють значення органічної речовини для ґрунту. Про це пишуть у різних виданнях, розповідають на семінарах і конференціях, на цьому акцентують увагу наукові установи (й не лише українські). В чому ж причина поступової деградації ґрунтів?

Причина перша: «українські ґрунти – найродючіші». Ця історична догма зробила нас заручниками природної родючості ґрунтового покриву. Впевненість у безлімітних властивостях ґрунтів зводить потребу в підтримці бездефіцитного балансу елементів живлення та гумусу до фрази: «На мій вік вистачить!» Проте довготривале інтенсивне використання ґрунтів спричиняє зменшення вмісту органічної речовини та зміни у співвідношенні між її складниками. Зокрема, зменшується вміст активної фракції із 33–50 до 15–25% (рис. 1).

Рис. 1. Основні складники органічної речовини ґрунту до використання у сільському господарстві та після довготривалого використання.

Причина друга: занепад галузі тваринництва. Кілька десятків років тому тваринницькі ферми функціонували в переважній більшості сіл, а тому органічні добрива вносилися в достатній кількості. За період 1990–2017 рр. поголів’я ВРХ скоротилося на 85%. Як наслідок, станом на 2017 р. на 1 га ріллі вноситься близько 220 кг органіки. Відомо, що для бездефіцитного балансу гумусу доцільно вносити 8–16 т/га органічних добрив залежно від ґрунтово-кліматичних умов. Крім вуглецю, такі добрива містять весь спектр макро- та мікроелементів у широкому діапазоні значень.

Тенденція розвитку галузей птахівництва та свинарства свідчить про можливості нарощування обсягів внесення органічних добрив, проте потреби всіх полів вони забезпечити не можуть. Альтернативою може слугувати вирощування сидератів – культур, здатних швидко наростити вегетативну масу. Сидеральна маса еквівалентна дії 20–40 т/га гною. Ще один плюс – збереження вологи та поживних речовин.

Причина третя: «сівозміна» залишається в теорії. Чергування культур завжди стояло на варті родючості. Насичення сівозміни бобовими культурами, недопустимість надто великих площ під просапними, повернення культури на одне і те ж саме поле тільки через певний проміжок часу – ці та інші умови створювалися для того, щоб зараз їх порушувати. Пріоритетом стають високомаржинальні культури. Це, безумовно, впливає на фітосанітарний стан посівів і родючість ґрунту.

Причина четверта: некоректний менеджмент пожнивних решток. Загалом, тієї кількості рослинних решток, що залишається на полі, недостатньо для бездефіцитного балансу гумусу. Але рештки можуть і не затриматися на полях. Одна із основних причин – відчуження нетоварної частини врожаю з поля. В найкращому випадку ці рештки повернуться на поля у вигляді органічних добрив. Насправді ж використання соломи в більш економічно привабливих цілях можливе за умови компенсації відчуженої «органіки».

Найгіршим варіантом менеджменту пожнивних решток є спалювання. Безумовно, деякі плюси у такого підходу є, але вони в жодному разі не переважать величезних мінусів. Особливо тих, що стосуються знищення органічної речовини ґрунту. За результатами досліджень кафедри агрохімії НУБіП, спалювання соломи на одній із ділянок зумовило зниження вмісту гумусу на 0,3%, лужногідролізованих сполук азоту – на 25 мг/кг порівняно з іншою частиною поля. Як вам така економіка?

Ефект від заробки пожнивних решток можна отримати, регулюючи співвідношення C:N. Так, для кукурудзи C:N коливається у діапазоні від 40 до 70:1, для зернових – від 60 до 80:1, а для бобових культур – від 20 до 40:1. Рослинні рештки бобових сприяють більш швидкому накопиченню органічної речовини. Для інших культур необхідне додаткове внесення азотних добрив для зміщення С:N до більш оптимальних показників. Якщо цього не зробити, мікробіота для процесів мінералізації використає доступні форми азоту, що негативно позначиться на умовах росту та розвитку культури.

Причина п’ята: оранка асоціюється із високими врожаями. Будь-який обробіток активізує розкладання органічних речовин. Щоразу, коли ґрунт обробляється, він контактує з повітрям. Кисень стимулює або пришвидшує дію мікробів ґрунту, які живляться органічними речовинами. Найбільші втрати органічної речовини спостерігаються саме при оранці. Внаслідок такого способу обробітку утворюється менш стійкий гумус та відбувається більший викид СО₂ в атмосферу.

В Україні активно пропагується мінімізація обробітку. Але першочерговою причиною часткової або повної відмови від оранки є не втрати органіки. По-перше, аграрії усвідомили негативний вплив плужної підошви на ріст і розвиток культур. По-друге, звернули увагу на високі затрати паливно-мастильних матеріалів. По-третє, виникла необхідність у економному використанні вологи. Ґрунтозахисний обробіток позитивно впливає на водний режим ґрунту, у тому числі й за рахунок позитивного впливу на баланс органічної речовини. Як відомо, органіка має властивості губки: вона може утримувати до 90% вологи від загальної маси.

Причина шоста – високі норми мінеральних добрив. Катіони та аніони, що входять до їх складу, по-різному впливають на органічну речовину. Науковці встановили, що однозаряджені катіони (NH₄ + , Na + , K + ) мають пептизуючу дію на органіку. Іншими словами, відбувається руйнування цінної структури та погіршуються властивості ґрунту. Щоб зрозуміти наслідки негативного впливу, достатньо згадати про насичення ґрунту іонами натрію при процесах осолонцювання.

Найбільш негативно на органічну речовину впливають лужні та гідролітично лужні добрива. На рис. 2 зображено результат від обробки наважки ґрунту розчинами мінеральних добрив. Темніше забарвлення фільтрату свідчить про вилучення органічних колоїдів. Як і очікувалося, більшість добрив, які містять у своєму складі амоній, посприяли потемнінню фільтрату. Розчин хлористого калію не мав пептизуючої дії. За результатами досліджень науковців, інші сполуки калію, зокрема, сульфат та карбонат, вилучають органічні колоїди (В. І. Філон , 2009).

Рис. 2. Фільтрат після взаємодії наважки чорнозему типового із розчинами добрив: 1 – аміачна селітра, 2 – КАС, 3 – карбамід, 4 – амофос, 5 – калій хлористий, 6 – гранульоване вапно, 7 – сульфат магнію

Причина сьома – деградаційні процеси. Зменшення вмісту органічної речовини у ґрунті провокує посилення деградації ґрунтів, яка посилює мінералізацію органічної речовини. Утворюється замкнене коло. Це означає, що чим більш деградований ґрунт – тим більші втрати органіки відбуваються. Значної шкоди завдає ерозія: вітрова (або дефляція) та водна. Ослабити вплив першої вдавалося за рахунок лісозахисних смуг, проте вони у переважній більшості перебувають у неналежному стані. Водна ерозія завдає непоправної шкоди на схилових землях, особливо в умовах зрошення.

І це ще далеко не повний перелік причин… Результатом дії кожного із цих чинників є зниження вмісту органічної речовини та гумусу. Якщо таких чинників кілька, то показники родючості ґрунту будуть зменшуватися у геометричній прогресії. Для прикладу – ситуація на одному з полів (рис. 3). Вміст органічної речовини за період 2016–2017 рр. зменшився на 0,2–0,7% (за винятком однієї точки відбору). Основні чинники можливого зниження вмісту органічної речовини: відчуження пожнивних решток озимої пшениці, внесення високих норм мінеральних добрив, застосування оранки. Крім того, потрібно враховувати і сезонну динаміку зміни цього показника (перший відбір – весна, другий відбір – осінь).

Рис. 3. Картограма вмісту органічної речовини у ґрунті

За відносно невеликий проміжок часу із картограми «зникло» 19% площі із дуже високим вмістом органічної речовини. Відбувся перерозподіл і в інших зонах забезпеченості. Аналіз розвитку культур за останніх 4 роки (рис. 4) показав, що у зоні з середнім вмістом органічної речовини (2,5% у 2016 р. та 2,1% у 2017 р.) показники NDVI були найнижчими незалежно від культури. Звісно, проблеми у цій зоні не тільки із вмістом органіки, але саме вона могла обумовити несприятливі умови для росту та розвитку рослин, впливаючи на фізичні, фізико-хімічні, агрохімічні та інші показники. Відповідно і підходи до системи удобрення в різних за продуктивністю зонах мають бути різними.

Рис. 4. Показники NDVI на одному і тому ж полі за останніх чотири роки

Як же визначити, чи є проблема із втратою родючості ґрунтів? По-перше, якщо чинники, перераховані у цьому матеріалі, спостерігаються на вашому полі, то це вже свідчить про наявність зони ризику. По-друге, можна орієнтовно порахувати баланс органічної речовини або гумусу. Але розрахунковий метод включає різні коефіцієнти, які є усередненими. І точність розрахунку умовна, але вона дає змогу зорієнтуватися в напрямку зміни вмісту органічної речовини.

Найбільш об’єктивну оцінку балансу органічної речовини ґрунту може дати лише періодичний контроль її вмісту на кожному із полів господарства. Раз у 3–5 років потрібно проводити агрохімічну діагностику, яка дасть повноцінну відповідь на запитання: який вектор змін показників родючості? Якщо за вказаний період вміст органічної речовини зменшився, то це свідчить про необхідність комплексних змін у підходах до побудови системи удобрення.

При проведенні періодичного агрохімічного обстеження варто дотримуватися трьох ключових правил:

1. Відбір зразків ґрунту доцільно проводити в той самий період року, що й попередній. Для показника вмісту органічної речовини (як і для більшості агрохімічних показників) характерна певна циклічність;
2. Відбір потрібно проводити за максимально наближеною методикою та сіткою. Якщо базовий відбір проводився на глибину 30 см, то й повторні зразки слід відбирати так само. Елементарні ділянки, на які розбито поле, також мають збігатися;
3. Лабораторний метод аналізу ґрунтів має бути ідентичним. І тут відразу потрібно закцентувати увагу на різницю у поняттях «гумус», «органічна речовина» й «органічний вуглець». Це різні показники.

Тільки за 100% дотримання вказаних вище пунктів ви зможете впевнено порівняти дані двох обстежень. Навіть за умови, що їх проводили дві різні лабораторії, установи або компанії. В іншому випадку порівняння показників буде недоцільним.

А як «змістити» баланс органічної речовини у позитивний бік? Відповідь очевидна: забезпечити надходження органіки у тому чи іншому вигляді. І малими кількостями тут не обійтися: 2–4 л/га гумату не посприяють швидкому відновленню родючості. Біодеструктори доцільно застосовувати за наявності великої маси пожнивних решток. Якщо немає «харчів» для мікроорганізмів, то вони почнуть «з’їдати» органічну речовину ґрунту. Такий підхід призведе до тимчасового позитивного ефекту.

Збереження і відтворення органічної речовини – серйозна агрохімічна, екологічна та соціальна проблема. То що дістанеться нашим нащадкам: родючий чорнозем чи субстрат? Відповідь даємо ми, до того ж уже сьогодні!

Олексій Тарасенко, агрохімік ТОВ «Агрілаб»,

Ігор Бордюжа, завідувач лабораторії кафедри агрохімії та якості продукції рослинництва НУБіП України

Замовляйте комплексну агродіагностику свого поля – унікальний алгоритм визначення потенціалу поля та підвищення його прибутковості за телефоном 0674654909! Ефективне рішення на декілька років!