Пожнивные остатки, органический материал и биология почвы |
Присутствие
растительных остатков на поверхности является характеристикой
плодородных почв в естественных экосистемах. Углерод, содержащийся в
растительных остатках, является источником энергии и основой для
поддержания и сохранения плодородности. Понимание важности пожнивных
остатков и углерода в кругообороте питательных веществ, в динамике
популяций флоры и фауны и в чередовании методов фитосанитарного контроля
выращиваемых растений является первостепенным для успешного применения
ПП.
Поверхностные
растительные остатки и корни являются основой жизни на земле. Для
успешного применения ПП и сохранения плодородности почвы в долгосрочной
перспективе необходимо четко понимать важность пожнивных остатков,
органического материала, гумуса и углерода.
Перечисление
основных преимуществ пожнивных остатков следует начать с сохранения
остатков жизнедеятельности на поверхности почвы - так, как это
происходит в естественных условиях. Остатки играют важную роль в защите
почвы от солнечного излучения и от ударов дождевых капель, в задержании,
абсорбции и уменьшения испарения воды, в контроле сорных растений, в
трансформации питательных веществ, а также в создании благоприятных
условий для протекания биологических процессов.
Среди
недостатков пожнивных остатков следует упомянуть трудности, возникающие
при посеве, выживание патогенных микроорганизмов на растениях,
иммобилизация азота в начале применения технологии ПП, вероятность
негативной аллелопатии по отношению к последующим культурам и риск
возникновения пожаров. Данные недостатки могут быть преодолены
посредством адаптации сеялок, ротации культур для избежания болезней и
внесения азота (для покрытия потребностей микроорганизмов, разлагающих
органические остатки в первые годы применения ПП, а также для покрытия
потребностей выращиваемых растений и адекватного управления каждой
системой последовательности культур).
Примерно
40% состава пожнивных остатков и до60% состава гумуса приходится на
углерод. Сведения об углеродном балансе настолько важны, что многие
специалисты в области анализа почвы предпочитают оперировать показателем
содержания данного элемента, нежели индексом содержания органического
материала в почве.
Весь
процесс производства растительного органического материала основан на
трансформации углеродной цепочки. Данный процесс начинается с поглощения
растениями солнечного света посредством фотосинтеза, в ходе которого, в
присутствии воды (Н2О) и диоксида углерода (СО2), происходит реакция с образованием глюкозы (С6Н12О6) и выделением О2.
Примерно
45% органического материала пожнивных остатков пшеницы, овса и кукурузы
приходится на углерод. Углерод, содержащийся в шести тоннах сухих
пожнивных остатках на гектар, соответствует 3000 л автомобильного
топлива. Т.е. углерод, производимый на 30 м2
площади, покрытой пожнивными остатками, эквивалентен количеству,
потребляемому прогулочным автомобилем при преодолении 100 км пути.
Недавние исследования, проведенные Д. Рейкоски (D.Rеicosky), показывают, что высвобождение СО2
вспахиваемыми почвами превышает совокупный выброс данного газа
вследствие сжигания ископаемого топлива во всем мире. Общее содержание
углерода является, вероятно, наилучшим показателем устойчивости и
качества почвы. Добавление углерода в почву происходит в ходе
производства органического материала, посредством фотосинтеза, а его
высвобождение из почвы происходит под влиянием микроорганизмов,
разлагающих органический материал. Чем глубже производится вспашка, тем
больше потери углерода, выделяемого в форме СО2. Соответственно, чем менее интенсивно обрабатывается почва, тем меньше будут потери углерода в виде газа.
Вспашка,
помимо стимулирования потери газов, способствует также нагреванию
поверхности почвы, которая в большей степени подвержена солнечному
облучению. Данный фактор играет важную роль в усилении «парникового
эффекта». Температура сухой и непокрытой почвы в жаркие полуденные часы в
летний период может достигать 70°С. В нормальные дни разница между
температурой открытой почвы и почвы, покрытой пожнивными остатками,
может превышать 15°С (см. Рисунок 13).
Наличие
обильного слоя пожнивных остатков, предполагаемое технологией ПП,
играет важную роль в отражении солнечной радиации (альбедо) и в
уменьшении потерь углерода в форме СО2, непосредственно влияющих на создание так называемого «парникового эффекта».
Рисунок 13. Изменение относительной влажности воздуха и температуры воздуха и почвы
(с пожнивными остатками и безНИХ) в течение дня (Источник:Гассен, 1993 г.)
Соотношение
между содержанием углерода и азота в пожнивных и культурных остатках
обозначается как «отношение C/N». Остатки некоторых видов растений,
таких как кукуруза и овес тощий (Avenastringosu) имеют высокий
показатель отношения C/N (Рисунок 14). Знание этого отношения и динамики
разложения органических остатков (Рисунок 15) представляет большую
важность при управлении культурными остатками и планировании покрытия
почвы (Рисунок 16) и высвобождения азота для питания выращиваемых
растений (Рисунок 17). Для рапса, вики посевной, люпина (Lupinus)
(Рисунок 14) и кормовой репы отношение C/N низкое, что приводит быстрому
разложению (Рисунок 16). Данный фактор может рассматриваться как
позитивный, учитывая высвобождение питательных веществ для посевов
следующей культуры. Когда целью является поддержание покрытия почвы,
главным образом в первые годы применения ПП, следует отдавать
предпочтение культурам, чьи пожнивные остатки обладают высоким
отношением C/N, таким как кукуруза, пшеница и овес (Рисунки 14, 15,16).
В
процессе разложения пожнивных остатков происходит иммобилизация азота и
увеличение выделения СО2. После стабилизации отношения C/N на уровне
гумуса и содержания микроорганизмов начинается процесс минерализации и
высвобождения аммония (Рисунок 17).
Рисунок 14. Отношение углерод/азот (C/N) в сухих остатках выращиваемых культур.
Здесь:
КР: кормовая репа, ВП: вика посевная, Л: люпин, С: сераделла
(Ormthopus) Р: рожь, ОТ: овес тощий, П: пшеница, К: кукуруза.
(Взято из различных источников)
Рисунок 15. Изменение отношения углерод/азот (C/N) в пожнивных остатках некоторых культур в процессе разложения.
(Взято из различных источников)
Рисунок 16. Содержание сухих веществ в растениях, выращиваемых с применением ПП, и количество остатков по прошествии 170 дней
(Источник:Roman, 1990г.).
Органический материал представляет собой останки погибших животных и растений, включая колонии или экссудат микроорганизмов и экскременты. Егo функция заключается в удержании и медленном высвобождении азота, фосфора, серы, питательных микроэлементов, а также в растворении других элементов. Органический материал структурирует почву, повышает способность впитывать воду и улучшает связи в ее химическом балансе (буферный эффект). Кроме того, он благоприятствует биологической активности, естественному контролю вредителей и болезней и абсорбции токсичных продуктов (Таблица 2). Органический материал является основным компонентом при управлении плодородностью почвы. Обычно сельхозпроизводители и специалисты не принимают во внимание фактор органического материала, тогда как его следует рассматривать в качестве наиважнейшего элемента в сельскохозяйственном производстве.
Рисунок 17. Изменение отношения углерод/азот (C/N), и индекс иммобилизации азота и высвобождения углерода при разложении пожнивных остатков
(Источник:Stevenson, процитировано: Fundacao АВС).
| Таблица 2.Общие свойства органического материала и его влияние на почву (Источник:Stevenson, 1982 г.) | ||
| Свойство |
Характеристика |
Влияние на почву |
| Цвет |
Темный цвет почвы обусловлен присутствием гумуса |
Может способствовать нагреванию |
| Задержание воды |
Гумус способен задерживать массу воды, в 20 раз превышающую его собственную | Играет вспомогательную функцию в предотвращении высыхания и растрескивания почвы. Может повысить способность задержания воды песчаными почвами |
| Сочетание с минералами, содержащимися в почве |
Фиксируют частицы в структурных единицах, называемых почечным агрегатом | Делает возможным вывод газов, стабилизирует структуру и увеличивает проницаемость почвы |
| Образование химических соединений |
Образует химические соединения с
Cu, Mo, Zn и другими поливалентными катионами |
Может повысить содержание питательных микроэлементов для питания выращиваемых условий |
| Растворимость в воде |
Нерастворим в воде. Соли с двухвалентными и трехвалентными катионами, содержащиеся в гумусе, также нерастворимы в воде. | Изолированные частицы гумуса частично растворимы. Очень незначительная часть гумуса может быть потеряна из-за выщелачивания |
| Буферный
эффект |
Обладает буферным эффектом в слабокислотных и нейтральных в щелочных растворах | Способствует постоянному проведению химических реакций в почве |
| Катионный обмен |
Полная кислотность изолированных фракций гумуса
варьируется в пределах от 300 до 1400 |
Может повысить потенциал катионного обмена (ПКО) почвы. Гумусу соответствует от 20% до 70% ПКО почвы. |
| Минерализация |
Разложение гумуса приводит к образованию СО2, NH+, NO3, PO4 и SO4 | Является источником питательных элементов для растений |
| Соединение с молекулами органических веществ |
Оказывает влияние на действие, сохранение и разложение средств защиты |
Влияет на дозировку средств защиты для эффективного контроля |
Гумус представляет собой остаточную субстанцию органического материала, наиболее устойчивую и плохо подвергающуюся разложению и минерализации. Отношение C/N гумуса устойчиво и колеблется в пределах 10-12, что эквивалентно соответствующему показателю для микроорганизмов, разлагающих органический материал. Химические реакции и побочные продукты гумуса имеют сложную структуру. В процессы включаются производные растительного материала, экссудаты корней развивающихся растений, клетки разложившихся микроорганизмов и экскременты животных. Гумус богат лигнинами, смолами, воском, маслами и жирами. В качестве одного из самых горячих энтузиастов восстановления почвы посредством формирования гумуса хотелось бы отметить г-на Карлоса Корветто (CarlosCorvelto). Для понимания масштабов его практических изысканий стоит осмотреть органический горизонт и гумус, производимый в его хозяйстве в Чили.
Цепочка производства питательных веществ в почве образуется производителями (растениями), потребителями и утилизаторами. Фауна почвы присутствует на каждом этапе цепочки разложения растений. Ее представители, исходя из своего размера, могут быть отнесены к группам: микрофауна (< 0,2 .мм), мезофауна (от 0,2 до 20 мм) и макрофауна (>20 мм). В соответствии с привычками питания представители фауны почвы могут быть классифицированы на растительноядных (питаются растениями), плотоядных (хищники и виды, паразитирующие на насекомых), сапрофагов (питаются продуктами разложения животных и растений), некрофагов (питающихся погибшими животными и растениями) и геофагов (питающихся землей) (Таблица 3).
| Таблица 3. Деятельность представителей фауны на различных этапах цепочки
производства питательных веществ и их влияние на структурирование почвы
в агроэкосистемах (компиляция из различных источников) | ||
| Деятельность |
Основные группы |
Результат |
| Фрагментация
(травоядные или растительные) |
Клещи, ракообразные, насекомые, моллюски, нематоды и простейшие | Потребители растений и органических
остатков, уменьшающие размер частиц |
| Хищники (плотоядные) |
Клещи, паукообразные, насекомые и простейшие | Хищники и паразиты других насекомых зоофагов |
| Агрегатирование
и минерализация почвы |
Клещи, паукообразные, насекомые и
простейшие |
Потребители экскрементов и разлагающихся материалов животного и растительного происхождения |
Закон Либига (Liebig), называемый принципом минимума, изначально сформулированный для демонстрации эффекта дефицита питательных веществ в почве при развитии растений, может быть использован в целях идентификации факторов ограничивающих или оказывающих наибольшее влияние на энергетические потоки в агроэкосистемах. Биотический или абиотический фактор, наиболее существенно влияющий на смертность, будет ограничивать рост популяции животных или растений.
Сжигание пожнивных остатков, подготовка почвы, экстенсивное производство монокультур и использование инсектицидов являются основными факторами прерывания естественных потоков энергии в агроэкосистемах. Последовательная ротация двух культур с годовым циклом на обширных площадях (таких как пшеница и соя или овес и кукуруза), предоставляющая различные виды питания в больших количествах, способствует резкому скачку численности популяций организмов, становящихся вредителями.
В регионах с субтропическим и тропическим климатом биологические процессы в почве протекают очень интенсивно, и в них принимают участие огромное число всех живых организмов. Распространение практики ПП дало толчок к переосмыслению роли обитающей в почве фауны и пока еще скромнымпопыткам оценки важности, с экономической и экологической точки зрения, этих организмов.
Разнообразие и численность популяций, присутствующих на плантациях под ПП и ТП, зависит от различных факторов. В большинстве случаев, состав фауны определяется степенью покрытия почвы, видом предыдущей культуры и внесением удобрений (Рисунок 18). В условиях прямого посева, предусматривающего наличие большого количества пожнивных остатков и повышенным содержанием азота в почве, отмечается повышенное присутствие обитающих в почве микроорганизмов (Рисунок 18).
Упрощенные сравнения между технологиями ПП и ТП не всегда адекватны и приемлемы. Результаты экспериментов и наблюдений проводимых на плантациях под ПП с пожнивными остатками на поверхности почвы, свидетельствуют о развитии «резидентной» микрофауны, в особенности членистоногих, с длинным биологическим циклом.
Pисунок18. Сравнение между прямым посевом (ПП), традиционной технологией подготовки почвы (ТП) и уровнем содержания азота
при наличии микроорганизмов в почве
(Источник:KentuckyAg, Res. Farm.)
Факторы,
влияющие на биологическую деятельность, меняются в зависимости от
региона, климата и практики культивирования. Согласно оценкам, около 80%
биологического движения почвы вызывается корнями. Использование
растений с различными типами корневой системы может быть спланировано в
соответствии с потребностями в структурировании, аэрации и дренаже
почвы. Дождевые черви, насекомые и другие животные в ходе своей
деятельности в естественных условиях передвигают около 20% почвы.
В
процессе развития традиционного сельскою хозяйства, были разработаны
методы предпосевной подготовки почвы с помощью плуга и бороны. При этом
биологическая деятельность корней, насекомых, дождевых червей и
микроорганизмов в расчет обычно не принимались. Для понимания сути ПП,
необходимо больше узнать о той важной роли, которую играют живые
организмы, и ее влиянии на образование галерей, разложение и
минерализации органическою материала, пpoцecc вхождения питательных
веществ в слой почвы и, что главное, на структурирование почвы.
Интенсивность биологической деятельности может рассматриваться как один из наилучших показателей качества и плодородности почв.
Дождевые
черви развиваются в большие популяции во влажной среде в регионах с
умеренным климатом. В цепочке производства питательных веществ и роль
заключается в трансформировании органического материала в гумус.
Ежедневно они потребляют или трансформируют количество пиши,
эквивалентное их собственному весу. В регионах с тропическим климатом
функцию дождевых червей по разложению и внесению органического материала
в почву выполняют термиты.
На
плантациях по ПП выявлены две группы дождевых червей. Черви большего
размера, принадлежащие к семейству Lumbricidae. наиболее известны. Так,
красные калифорнийские черви лучше развиваются в экскрементах и гниющем
органическом материале и практически не участвуют в разложении пожнивных
остатков на полях.
Черви
из семейства I.umbricidac роют глубокие галереи, способствующие
инфильтрации воды и питательных веществ, и образуют копролиты на
поверхности почвы, богатые питательными веществами. Они выполняют
функцию биологической вспашки. В регионе Понга-Гросса (штат Парана)
энтузиасты ПП создали Клуб Дождевого Червя, как символ восстановления и
сохранения почвы.
Предварительные
исследования показали, что примерное количество дождевых червей,
обитающих в почве региона Кастру (штат Парана), где на отдельных
площадях в течение 15 лет применялась практика ПП, составляло 600 млн.,
причем на площадях, находившихся под ТП, было обнаружено лишь 7% от
указанной популяции.
Дождевые
черви другой группы, принадлежащие семейству Irnchitreiiiae, имеют
меньший размер (примерно 1 см в длину), белую и полупрозрачную окраску и
характеризуются медленным передвижением. Эти черви группируются в
многочисленные изолированные колонии вблизи корневой системы погибших
растений и органического материала. Они часто ошибочно принимаются нами
за вредителей, так как обнаруживаются в подземной части растений,
погибших под воздействием патогенных микроорганизмов и вредителей,
питаясь разлагающимся органическим материалом. Между тем, указанные
черви не наносят ущерба растениям, и напротив, их присутствие на
плантациях весьма желательно.
Высыхание
или низкое содержание воды в почве, не покрытой пожнивными остатками,
формирует неблагоприятную среду для развития популяций дождевых червей.
Последние нуждаются в высоком содержании воды (в пределах 80%) (Рисунок
19) в среде с большим слоем пожнивных остатков на поверхности почвы в
регионах с умеренными температурами.
| Таблица 4. Содержание кислотности (рН), алюминия (А1), кальция (Са) и магния (Mg) в слое почвы и в полостях личинок Diloboderusahderus, регион Эрнештина, штат Риу-Гранди-ду-Сул (Источник: Gassen, Kochmann, 1993 г.) | ||||
| Глубина, см |
рН | Al, me/100 г | Са, mе/100 г |
Mg, me/100г |
| 0-5 |
5,6 а | 0,13 с | 5,7 аb | 1,9 ab |
| 5-10 |
5,5 а |
0,26 с | 5,1 b | 1,6 b |
| 10-15 |
5,4 а | 0,41 с |
4,4 b |
1,6 b |
| 15-20 |
4,9 b | 1,41 b |
2,6 с | 1,1c |
| 20-25 |
4,7 b | 2,24 а | 1,8 с | 0,9 с |
| Полость личинки |
5,5 а | 0,20 с | 6,6 а | 2,1 а |
| Стандартное отклонение, % |
7,1 | 6,2 | 4,9 | 15,6 |
Микоризы являются грибками, которые обитают в корнях растений-хозяев и не вызывают заболеваний у последних. Они проникают в корни, потребляют некоторые вещества и, в свою очередь, аккумулируют фосфор и другие элементы, извлеченные из почвы и из частиц горных пород, и располагают их в клетках растений. При высвобождении при элементы, в конечном счете, служат питанием растений-хозяев. Микоризы присутствуют в самых разнообразных средах и могут приспосабливаться к корням различных видов растений. Методов эффективного использования данных грибков на плантациях под прямым посевом пока нет, между тем перспективы такого использования достаточно многообещающие.
Некоторые виды грибков рода Acremonium развиваются на растениях злаковых культур, способствуя их устойчивому росту и защищая от атак насекомых и патогенных микроорганизмов. Между тем, развиваясь на растениях итальянского райграса и некоторых других злаковых, они производят токсины, стимулирующие аборты у домашних животных, таких, как овцы и лошади.
Бактерии рода Rhizobium и Аzotobacter используются при коммерческом производстве сельскохозяйственных культур (Rhizohium вводится в семена бобовых, аAzotohacter - злаковых). Эти бактерии абсорбируют свободный азот из атмосферного воздуха и высвобождают его для питания растений.
Обилие пожнивных остатков на поверхности и отсутствием физической подготовки почвы на плантациях под ПП способствует появлению животных, обычно присутствующих на естественных полях и лугах. Многие хищники и паразиты, развивающиеся в данных условиях, также нападают на виды, рассматривающиеся как вредители выращиваемых растений.
Возможности биологического контроля на полях, где не производится подготовка почвы, и присутствуют пожнивные остатки, значительно расширяются. Влажный микроклимат с малыми колебаниями температуры, образующиеся в слое, защищенном пожнивными остатками, способствуют развитию грибков, бактерий,насекомых-хищников и паразитов, нападающих на вредителей, а также организмов, разлагающих органические остатки. Вследствие этого, практика ПП, предусматривающая сохранение пожнивных остатков на почве, благоприятствует интенсификации биологической активности и естественному контролю вредителей.
