Поиск

Влияние культурных растений на почву
30.10.2015

Культурные растения, как и растения естественных ассоциаций, оказывают исключительно большое влияние на свойства почвы. Они пронизывают ее корневой системой, изменяя ее структуру и сложение, воздействуя на биохимические процессы в течение всего периода вегетации. Еще большие изменения происходят в характере обмена веществ в системе почва — растение и в биологическом круговороте химических элементов.
В свое время В.Р. Вильямс, обосновывая учение о травопольной системе земледелия, разделял сельскохозяйственные растения на две группы: однолетние, ухудшающие структуру, водно-физические свойства и плодородие почвы, и многолетние травы, которые эти свойства и плодородие почвы восстанавливают и улучшают. Позже многочисленные исследования показали, что все культуры, в том числе и однолетние, действуя корневой системой на почву, оказывают при высоких урожаях положительное влияние на ее свойства.
Культурные растения служат первичным источником органического вещества в почве, не отличаясь в этом от естественной растительности. Поступление и гумификация органического вещества происходят еще при жизни растений. В период вегетации у них отмирает часть эпидермиальных тканей, мелкие корневые волоски и часть надземных органов — первые листья, побеги многолетних трав и др. Большое количество органических веществ поступает в почву в виде корневых выделений. По определениям Н.В. Мешкова, корневые выделения составляют около 5—10% веса всей корневой системы, а по данным С.А. Самцевича, вес сухого вещества корневых выделений в посевах зерновых культур за период вегетации приближается к весу самых высоких урожаев зерна.
Отмирающие части растений и корневые выделения служат главным источником питательных веществ и энергии для большей части почвенных микроорганизмов. Поэтому культурные растения являются основным фактором, стимулирующим развитие и активность почвенной микрофлоры, которая сосредоточивается в зоне корней (ризосфере) и в местах скопления растительных остатков. С повышением биологической активности почвы усиливаются процессы мобилизации элементов питания в доступных растениям формах, особенно в непосредственной близости от корней (табл. 116).

Влияние культурных растений на почву

Растения играют большую роль в образовании агрономически ценной комковатой структуры почвы. Проникая в уплотнившуюся почву, корни растений расчленяют и дробят ее на отдельные структурные комочки, а по мере роста и утолщения сдавливают окружающую массу, способствуя сближению и сцеплению пылеватых частиц в агрегаты различных размеров.
Определения структурности почвы на делянках с различными растениями и без растений показали, что под всеми растениями количество глыбистых элементов (диаметр больше 10 мм) снижается, а количество благоприятных в агрономическом отношении комковатых и зернистых агрегатов (размер 3—0,25 мм), наоборот, увеличивается. Наибольшее оструктуривающее действие растений наблюдается под многолетними травами. Следует, однако, отметить, что при низком уровне агротехники и низких урожаях трав последние без одновременного внесения органических удобрений не могут сструктурить почву.
Под влиянием растений увеличивается и водопрочность структуры, что связано с непосредственным скреплением агрегатов мелкими корешками, действием новообразованных перегнойных веществ, осаждением гидроокисей железа и алюминия в прикорневой зоне, а также наличием слизистых и клеющих продуктов жизнедеятельности ризосферных микроорганизмов. По-видимому, часть такой временной структуры, образованной корневой системой растений за период вегетации, может закрепляться в прочную структуру, в которой агрегаты сцементированы гуматами кальция.
Проникая в почву и образуя структурные агрегаты, корни культурных растений уменьшают плотность (объемный вес) почвы, увеличивают порозность и этим улучшают ее водно-физические свойства. При этом усиливаются процессы выветривания минеральной части почвы, минеральные соединения переходят в доступные растениям формы, повышается содержание обменных оснований, а у кислых почв снижается кислотность (табл. 117).
Влияние культурных растений на почву

По действию корневых систем на почву культурные растения отличаются от растений естественных биоценозов. Их корневая система в рыхлом и удобренном пахотном слое сильнее развита и оказывает большее влияние на почву. Однако будучи в большинстве своем однолетними с коротким периодом вегетации, культурные растения не столь продолжительно воздействуют на почву, как целинные травянистые растения лугов и степей. Кроме того, изменения, которые происходят под влиянием корней целинных растений, с течением времени усиливаются и накапливаются, так как сложение почвы, многие ходы корней и грани созданной корнями структуры сохраняются и в новом годичном цикле развития почвы. Почва под посевами культурных растений, как правило, ежегодно обрабатывается, свойства ее, возникшие под влиянием корней растений, в зависимости от условий агротехники могут ослабляться и сходить на нет или, наоборот, усиливаться.
Культура сельскохозяйственных растений изменяет биологический круговорот веществ, существующий в естественных почвах. Изменяются биомасса растительного покрова и количество химических элементов, участвующих в круговороте.
Среди сельскохозяйственных растений очень большую биомассу образуют корнеплоды и клубнеплоды. Достигая технической зрелости, они создают биомассу, которая с учетом веса корней и клубней значительно превышает вес многих других культурных растений. При высокой агротехнике урожаи корнеплодов, картофеля и сахарной свеклы достигают 180 ц/га в северных областях и 400—500 ц/га в юго-западных районах и на юге страны. Следовательно, по сухому веществу общая биомасса растений при таких высоких урожаях достигает 120—330 ц/га. Вместе с этим корнеплоды и клубнеплоды имеют небольшую корневую систему, которая составляет только 12—15% от веса всего растения. Поэтому при их посевах в почву поступает 18—35 ц/га растительных остатков. Около 85% биомассы отчуждается с урожаями.
Из злаков очень большую биомассу создает кукуруза. При урожаях порядка 40 ц/га зерна или 600 ц/га зеленой массы вес сухого вещества растений кукурузы достигает соответственно 180—240 ц/га. Кукуруза развивает мощную корневую систему. С ее остатками в почву поступает до 50—80 ц/га органического вещества, а с урожаями отчуждается 55—65% биомассы растений. Близкую по размерам к кукурузе биомассу создает подсолнечник. У него тоже очень мощная корневая система, с которой в почву поступает много органического вещества.
Биомасса, создаваемая зерновыми культурами, значительно меньше. У озимых она достигает 120—160 ц/га, у яровых, которые имеют более короткий период вегетации, — 80—120 ц/га. С урожаями озимых отчуждается около 65%, а яровых — около 60% общей биомассы растений. Остальная часть их (от 30 до 55 ц/га) поступает в почву в виде пожнивных и корневых остатков.
Особое место занимают многолетние травы. В отличие от однолетних культур с урожаем сена многолетних трав отчуждается растительной массы меньше, чем поступает в почву с корневыми и послеукосными остатками. Последние составляют 60—70% массы растений — 50—120 ц/га, а с урожаем сена отчуждается только 30—40%, т. е. 35—65 ц/га.
Таким образом, различные культурные растения создают ежегодно от 70 до 330 ц/га сухой растительной массы, из которой от 50 до 300 ц/га отчуждается с урожаями, а на полях кукурузы и многолетних трав от 20—30 до 70—120 ц/га поступает в почву в виде пожнивных и корневых остатков.
Из химических элементов в составе сухой биомассы сельскохозяйственных растений преобладают азот и калий. Кроме того, бобовые и картофель содержат много кальция (до 2,5%), а злаки — кремния (1,0—1,5%). Значительно меньше количество магния, фосфора и серы (около 0,2—0,4%, не считая более высокого содержания магния в картофеле). Содержание в растениях алюминия, железа и марганца составляет лишь сотые доли процента на сухое вещество растений.
Зерновые культуры отличаются высоким содержанием азота и фосфора в зерне, а также калия и кремния в соломе. Зеленые злаки на сено и силос содержат больше азота и зольных элементов, но меньше кремния; сено бобовых богато азотом, кальцием и калием и бедно кремнием. Интенсивное поглощение и накопление кальция бобовыми отмечается в надземной их части, которая отчуждается с урожаями, а корни бобовых накапливают кальций не так интенсивно, как принято считать. Картофель отличается от других культур очень высокой зольностью (зольность ботвы картофеля достигает 12—14%), большим содержанием азота, калия, кальция и магния. Азота и кальция в растениях картофеля больше, чем у бобовых.
При средней зольности культурных растений около 5% и содержании азота около 1,3% они вовлекают в биологический круговорот от 360 до 2500 кг/га химических элементов. С урожаями культурных растений из почвы выносится и исключается из биологического круговорота от 300 до 1700 кг/га зольных элементов, а количество отчуждаемого азота колеблется от 60 до 340 кг/га. По суммарному выносу химических элементов из почвы с урожаем культуры располагаются в убывающий ряд: корнеплоды>кукуруза>сеяные травы>зерновые (табл. 118).
Влияние культурных растений на почву

Культурные растения больше всего отчуждают азот и калий, а зерновые еще и кремний. Картофель и многолетние травы выносят калия больше, чем азота, а зерновые — больше кремния, чем кальция. Максимальное количество азота и калия выносят корнеплоды, кукуруза, а затем картофель; минимальное количество азота — многолетние травы, а калия — зерновые.
Таким образом, с урожаями культурных растений почва теряет большое количество элементов зольного питания. Что касается азота, то потери его почвой, по-видимому, значительно меньше того количества, которое отчуждается с урожаями. Относительно небольшие изменения в содержании азота в ряде длительных опытов с бессменными культурами свидетельствуют о том, что значительная часть потерь азота с урожаями всех культур, а не только бобовых, компенсируется за счет фиксации азота атмосферы. В посевах с участием бобовых фиксация атмосферного азота может компенсировать потери его с урожаем.
Для повышения урожаев необходимо вносить удобрения, учитывая при этом не только вынос элементов питания с урожаями, но и послеуборочные остатки и корни.
С растительными остатками различных культур в почву поступает от 20 до 120 ц/га органической массы, от 125 до 600 кг/га зольных элементов и от 300 до 1700 кг/га азота. Наибольшее количество азота и зольных элементов поступает в почву с остатками многолетних трав, наименьшее — с остатками зерновых культур.
Полевые культурные растения в отличие от естественных ежегодно сменяют друг друга. Чтобы судить о совместном влиянии их на почву, необходимо учитывать соотношение культур в посевах, т. е. структуру посевных площадей, и соответственно определять органическое вещество и количество химических элементов, вовлекаемых ежегодно в биологический круговорот всем агроценозом. В табл. 119 приведены основные показатели биологического круговорота органического вещества и химических элементов в агроценозах в сравнении с естественными ценозами.
Влияние культурных растений на почву
Влияние культурных растений на почву

На подзолистых почвах сельскохозяйственные культуры сменяют покров хвойных и хвойно-лиственных лесов. В этих лесах, несмотря на разновозрастность растений, устанавливаются определенные средние соотношения между ежегодным приростом и ежегодным опадом. Ежегодный прирост в них колеблется от 55 до 100 ц/га, опад — от 40 до 70 ц/га; до 15—50 ц/га удерживается многолетними частями растений на все время существования леса как биоценоза, под которым формируются почвы подзолистого типа.
С приростом лесных сообществ в биологический круговорот ежегодно вовлекается около 85—215 кг/га химических элементов. Около 60—165 кг/га химических элементов возвращается в почву с опадом, а 15— 50 кг/га удерживается многолетними частями леса — его «истинным приростом».
Среди посевов сельскохозяйственных культур в зоне подзолистых почв преобладают зерновые (от 15 до 48%), многолетние травы (17—26% и больше) и картофель (от 7 до 20%). При такой структуре посевных площадей в агроценозах на подзолистых почвах создается 85—120 ц/га биомассы, из которой с растительными остатками в почву поступает 30—50 ц/га, а большая часть — 55—70 ц/га — отчуждается с урожаями. Считая, что культурные растения в среднем содержат 5% зольных элементов (содержание золы в надземных частях и корнях колеблется от 4 до 8%, а в отдельных случаях, например в ботве картофеля, до 10—14%), а азота 1,3% (колебания от 0,5 до 3%), общее количество химических элементов, вовлекаемых в биомассу в этих условиях, составляет 535—770 кг/га. Из них в почву возвращается 150—250 кг/га зольных элементов и 40—65 кг/га азота, а 280—350 кг/га зольных элементов и 70—90 кг/га азота отчуждается с урожаями и исключается из биологического круговорота в данном ландшафте.
Таким образом, биологический круговорот в агроценозах и в лесных сообществах существенно различается.
1. В агроценозах в биологический круговорот ежегодно вовлекается больше органического вещества и химических элементов, чем в лесных сообществах. С применением удобрений эта особенность усиливается.
2. С урожаями культурных растений в агроценозах из почвы отчуждается и исключается из ежегодного круговорота веществ гораздо большее количество органической массы и элементов питания, чем удерживается многолетними частями (истинным приростом) в лесах. Иными словами, биологический круговорот в агроценозах является некомпенсированным в гораздо большей степени, чем в естественных биоценозах.
3. В агроценозах с растительными остатками культурных растений в почву поступает больше органической массы и химических элементов, чем с годовым опадом в лесах.
4. Остатки культурных растений более усреднены. Единица веса их содержит больше зольных элементов и азота, чем опад в лесу. В сосновых лесах, например, отношение массы опада к зольным элементам вместе с азотом колеблется от 50 до 110, в еловых от 50 до 60, а в остатках культурных растений от 13 до 25.
5. Растительные остатки в культурных посевах поступают непосредственно в почву — они ежегодно запахиваются, разлагаются и гумифицируются в пахотном слое, в то время как лесной опад поступает на поверхность почвы, где накапливается в виде лесной подстилки. Масса подстилки в лесах таежной зоны достигает 200—500 и даже 1000 ц/га, а содержание в ней химических элементов — 1000—1500 кг/га и больше.
Особенности биологического круговорота органического вещества и химических элементов в агроценозах оказывают большое влияние на процесс почвообразования и формирование свойств культурных подзолистых почв.
Повышенное содержание азота и зольных элементов в растительных остатках, большая усредненность их приводят к ослаблению процесса образования агрессивных перегнойных кислот (фульвокислот), так как с последними связано разложение минеральной части почвы, перемещение и вынос подвижных продуктов из почвенного профиля, что ослабляет подзолистый процесс. Благодря большей усредненности растительных остатков в процессе их разложения больше образуется гуминовых кислот, которые нейтрализуются основаниями (Ca и Mg), закрепляются в почве, увеличивая содержание в ней гумуса. Этому способствует и то обстоятельство, что процесс разложения растительных остатков в агроценозах протекает не на поверхности почвы, а в пахотном слое с большим участием микроорганизмов. Кроме ослабления подзолистого процесса и усиления процессов образования гумуса, при смене лесной растительности на культурную уменьшается геохимический вынос элементов из почвы. Уменьшаются потери химических элементов из опада и подстилки с поверхностным стоком, что имеет место в лесах, снижается кислотность почвы и увеличивается насыщенность ее основаниями, вследствие чего улучшаются физические и биологические свойства почвы. Создаются более благоприятные условия для биологического синтеза и ресинтеза вторичных минералов, так как, кроме большого количества железа и алюминия, в золе культурных растений, среди которых преобладают злаки, относительно много кремния.
Как показано в табл. 119, лиственные и широколиственные леса, под которыми формируются серые лесные почвы, отличаются большим приростом и большей зольностью по сравнению с лесами хвойными и хвойно-лиственными. В свою очередь в агроценозах на серых лесных почвах по сравнению с подзолистыми почвами повышается урожайность культур, несколько снижаются площади посевов многолетних трав, но увеличиваются посевы кукурузы (на силос), имеющей мощную корневую систему. Общее количество органического вещества (растительных остатков) и химических элементов, ежегодно вовлекаемых в биологический круговорот, в этих агроценозах больше, чем в годовом приросте широколиственных и лиственных лесов. С урожаями из почвы отчуждается органического вещества и химических элементов тоже больше, чем задерживается с истинным приростом в лесах. Что касается растительных остатков, то их масса в агроценозах меньше опада лиственных лесов. Тем не менее вследствие большей зольности и более высокого содержания азота с остатками культурных растений в почву поступает больше азота и зольных элементов, чем содержится в лесном опаде. Значительная часть последнего остается на поверхности почвы, образуя подстилку массой до 300—320 ц/га. В ней содержится до 3000—3700 кг/гa химических элементов, часть которых сносится поверхностным стоком в реки.
Таким образом, при смене лиственных и широколиственных лесов культурными растениями биологический круговорот органического вещества и химических элементов в ландшафте изменяется почти так же, как и при освоении земель хвойно-лиственных лесов, хотя эти изменения выражены слабее. В агроценозах в биологический круговорот вовлекается больше органического вещества и зольных элементов; несмотря на меньшую массу растительных остатков, благодаря их большей зольности, в почву агроценозов поступает химических элементов больше, чем под лиственным лесом. При обычной запашке растительных остатков в почву в агроценозах создаются более благоприятные условия для образования гуминовых кислот и увеличения гумуса за счет снижения возможного количества агрессивных, высокодисперсных фульвокислот. Вместе с этим с урожаями из почвы отчуждается большое количество элементов питания растений. Поэтому для поддержания плодородия почвы и повышения урожаев здесь, как и в других почвах, требуется вносить удобрения.
При вовлечении в сельскохозяйственное производство целинных черноземов культурные травянистые растения сменяют лугово-степную и луговую растительность.
В лугово-степной и луговой черноземной степи ежегодный прирост и опад составляют около половины общей биомассы растений (до 110—145 ц/га). При этом в биологический круговорот вовлекается около 530—785 кг/га химических элементов. Почти весь прирост, а с ним и основная масса химических элементов (порядка 480—720 кг/га) возвращаются в почву. В многолетних органах травянистых степных растений удерживается лишь очень небольшая часть годового прироста — 10—13 ц/га и около 50—65 кг/га химических элементов.
В агроценозах черноземной зоны при хороших урожаях ежегодно образуется 125—160 ц/га растительной массы. Из этого количества 80—100 ц/га органического вещества, содержащего до 500—630 кг/га химических элементов, отчуждается с урожаями, 40—60 ц/га растительной массы, содержащей 225—300 кг/га зольных элементов и 60—80 кг/га азота, возвращается в почву с растительными остатками. Следовательно, различие особенностей биологического круговорота в естественных ценозах черноземной степи и в агроценозах состоит в том, что в последних из почвы отчуждаются довольно большие количества органического вещества и химических элементов. Растительные остатки (солома, потерянные колоски, стерня, отава) запахиваются в почву, где они минерализуются с образованием гумуса. Типичный для целины степной войлок здесь также не образуется.
В более южных сухих и солонцовых, полупустынных степях общая биомасса растений в естественных ценозах уменьшается до 100—225 ц/га, масса ежегодного прироста —до 50—100 ц/га, а опада — до 40—90 ц/га. Количество степного войлока в сухих степях снижается до 30 ц/га. В условиях значительной сухости растительный опад почти полностью минерализуется, а освобождающиеся основания подщелачивают почву и обусловливают образование малоконденсированных подвижных фульвокислот. Некоторые типичные растения сухих степей и полупустыни — полыни, прутняки и другие, содержащие много натрия, являются одной из возможных причин солонцеватости почв сухих степей.
В агроценозах сухих степей в условиях богарного земледелия возделываются зерновые культуры, дающие небольшую общую биомассу. В связи с этим общая биомасса культурных растений в агроценозах уменьшается до 65—75 ц/га, отчуждаемая с урожаем часть — до 40—45 ц/га, растительные остатки — до 30—35 ц/га. Уменьшается и количество химических элементов в круговороте — отчуждается 260—300 кг/га, возвращается в почву 180—210 кг/га. Количество органического вещества и зольных элементов, вовлекаемых в биологический круговорот и поступающих в почву, в агроценозах оказывается меньшим, чем в естественных растительных сообществах сухой степи. В агроценозах, где все растительные остатки запахиваются в почву, гумифицируются при большей влажности и без избытка щелочей, создаются условия для образования более конденсированных форм гумусовых кислот, закрепляемых в почве, т. е. условия для увеличения содержания гумуса.
В золе культурных растений кальций, калий и магний преобладают над натрием; поэтому посевы культурных растений способствуют замещению обменного натрия на биогенный кальций, магний и калий, что усиливает рассолонцевание солонцеватых почв сухих степей.
В условиях пустыни на серо-бурых почвах с разреженным растительным покровом в биологический круговорот вовлекается еще меньше органического вещества и химических элементов высших растений. Основная часть биомассы растений пустыни представлена корнями, а ежегодный опад составляет меньше 1/3 фитомассы. Общая масса растений на серо-бурых почвах Устюрта составляет 43 ц/га, из них ежегодный прирост —14 ц/га, а годовой опад—12 ц/га. В биологический круговорот пустынной растительностью вовлекается до 185 кг/га химических элементов, из которых в опад поступает 60 кг/га, в том числе около 40 кг/га зольных и 20 кг/га азота. Опад почти полностью минерализуется с освобождением щелочных оснований и образованием высокодисперсных гумусовых веществ.
В условиях пустыни возможно лишь орошаемое земледелие, которое коренным образом изменяет биологический круговорот органического вещества и химических элементов, свойственный пустыне, и преобразует пустынные почвы в культурно-поливные, оазисные почвы, обогащенные гумусом и питательными веществами.
Из основных показателей биологического круговорота органического вещества и химических элементов в люцерново-хлопковом севообороте (4 года хлопок и 3 года люцерна) видно, что в результате смены пустынной растительности на культурную в условиях орошения в биологический круговорот вовлекается в 10—11 раз больше органического вещества и химических элементов и в 5—б раз больше поступает их в почву вместе с растительными остатками, что и обусловливает улучшение свойств почвы, мобилизацию запасов и накопление элементов питания растений. Одновременно поливные культурные растения потребляют около 450 кг/га химических элементов, в том числе до 150 кг/га азота, что требует внесения удобрений и ведения всего орошаемого земледелия на высоком агротехническом уровне.