Как накопить и не растратить?
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?
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 = Corg 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 (Corg) 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 (Corg) 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 – Corg 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.