Органическое вещество в агроценозе
Резюме
Для роста растений необходимы следующие элементы питания
- Углекислый газ
- Вода
- Минеральные элементы:
- -- Макроэлементы: азот (N), фосфор (P), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S)
- -- Микроэлементы: железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), медь (Cu), бор (B), молибден (Mo), хлор (Cl)
В естественных экосистемах питание растений осуществляется благодаря круговороту органического вещества: опавшие растения и листья, попадая в почву, разлагаются, становясь пищей для микрофлоры. В ходе разложения органическое вещество распадается на воду, углекислый газ и минеральные элементы.
Также в процессе жизнедеятельности микробов в почве дополнительно растворяются минеральные элементы , удерживаемые в почвенном поглощающем комплексе (см. раздел «Динамическое плодородие»).
В процессе сельского хозяйства нарушается естественный круговорот органического вещества
из-за регулярного изъятия урожая. В результате, в почве становится недостаточно органического вещества, что приводит к дефициту всех питательных веществ: углекислого газа и минеральных элементов в растворенной форме .
Современная практика сельского хозяйства решает проблему изъятия органического вещества внесением высоких доз минеральных удобрений (в России – ок. 400 кг на га, в Европе – до 1000 кг на га). Это частично компенсирует недостаток минеральных элементов, но приводит к загрязнению водоемов и засаливанию почвы (см. раздел «Минеральные удобрения»).
Однако это не решает проблему недостатка СО2. В парниках эту проблему можно решить распылением углекислого газа, однако на открытых полях данный подход не применим, что приводит к снижению урожаев.
В дополнение к минеральным удобрениям в сельском хозяйстве используют органические удобрения. Наиболее распространено внесение в почву навоза. Однако навоз нельзя вносить свежим из-за опасности заражения почвы паразитами и инфекциями. Для обеззараживания навоз вносят перепревшим, из-за чего большая часть органического вещества успевает разложиться на воду и углекислых газ / метан еще до внесения в почву.
В настоящий момент компанией РосОМУ завершены исследования по искусственному обеззараживанию навоза с последующим внесением его в почву в неразложившемся виде. При наличии в почве достаточного количества бактерий, внесения неразложившегося органического вещества будет достаточно для:
- появления необходимого количество минеральных веществ в результате деятельности микрофлоры почвы
- выделения большого объема углекислого газа из почвы
Дополнительное растворение небольших доз минеральных веществ в органическом удобрении (в результате которого получается органо-минеральное удобрение, ОМУ) позволяет безопасно для почвы ускорить эффект от внесения удобрений при сохранении длительного эффекта от увеличения содержания органического вещества в почве.
Дальнейшим путём развития ОМУ может являться добавление в удобрение комплекса бактерий, что позволит восстанавливать микрофлору почвы при ее нарушении и увеличить эффективность внесения органических удобрений.
Круговорот органического вещества
Главный для плодородия круговорот – круговорот органического вещества.
Но какая органика для нас важнее?
Органика находится в двух энергетических состояниях:
- гумус
- неразложившиеся органические остатки (далее – органика).
Гумус – продукт глубокого распада органики. Энергетически он почти уже инертен, в нём нет углеводов и белков, и микробы его почти не едят. Вся энергия для микробов и червей – для круговорота – для плодородия – для выращивания пищи – для экономики – законсервирована в «свежей» органике: остатках растений и фекалиях животных.
Это почти вся летняя энергия Солнца, усвоенная на данной площади. В средних широтах – до 400 ккал/кв. м в год, в тропиках – в 5 раз больше.
Примерно двадцатая её часть закрепляется в веществах гумуса. А вся остальная энергия используется в качестве корма для микробов, которые не могут усваивать солнечную энергию напрямую. При этом микробы, питаясь органикой, высвобождают из нее питательные вещества, необходимые для растений. Таким образом, распад органики обеспечивает питание новых растений. Распад идёт в сотни раз быстрее минерализации гумуса: 90% растительных остатков сгнивает за одно лето.
В процессе же земледелия мы изымаем из естественного кругооборота биомассу, что приводит к нарушению кругооборота и, как следствие, нарушению плодородия почвы.
В рамках существующей практики плодородие восстанавливается с помощью химических удобрений, которые только наносят вред почве.
Гумус
Гумусовая концепция возникла в конце XVIII века, в 1800 году ее сделал популярной немецкий агроном Альбрехт Тэер (1752–1828). «Гумус (от латинского humus – земля, почва) – перегной, органическая, обычно темно окрашенная часть почвы, образующаяся в результате биохимического превращения растительных и животных остатков.
В начале девятнадцатого века Тэер увидел и всем показал: растения всегда тем пышнее и развитее, чем больше в почве находят гумуса. С тех самых мы почти не различают гумус и прочую органику – перегной, компост и навоз.
В 20-м веке многие исследования показали, что гумус является результатом, а не причиной плодородия. В целом это – уравновешивающе-физическая и буферно-обменная среда.
Биохимическая активность гумуса очень мала, микробами он почти не разлагается. Поэтому и накапливается в почве, и, более того, создаёт залежи торфа или углей. В круговороте органики он практически не участвует и на урожай прямо не влияет. Торф и бурый уголь – чистый гумус, до 60-90% гуминовых кислот, но они не пригодны для земледелия. Гумус может накапливать запасы питания, но сам он их не отдаёт.
И. Ю. Мишина провела дополнительные исследования питательной ценности гумуса. В нескольких вариантах опыта с ячменём она тщательно выбрала из почвы все растительные остатки. Возникший при этом отрицательный эффект на урожайность не удалось устранить ни минеральными удобрениями, ни добавлением гумусовых веществ.
Из истории сельского хозяйства СССР известно: черноземы Украины с 4-6% гумуса давали более высокие урожаи, чем черноземы лесостепного Поволжья с 10-15% гумуса. В то же время на владимирских суглинках, на полях Н.А. Кулинского, в биологическом севообороте с заделкой соломы, урожаи зерна не опускаются ниже 55 ц/га. А на Кубани, где гумуса чуть не втрое больше, зерна собирают вдвое меньше.
Минеральные удобрения
В Европе вносится уже до 1000 кг минеральных удобрений на 1 гектар. Причина применения удобрений проста: растениям нужны доступные, растворённые минеральные элементы. Однако в почве их и так очень много. В чернозёмах содержание минеральных веществ доходит до 100 т/га. Но они запакованы в почвенном поглощающем комплексе (ППК) . Поэтому при интенсивном земледелии в почву активно добавляются минеральные соли, что приводит к росту урожая, но также и к падению естественного плодородия почвы.
Внесение минеральных удобрений наносит существенный вред экологии:
- только 30%-40% удобрений усваивается растениями
- 30%-35% уходит в подземные воды и водоёмы, наносят сильный ущерб экологии
- 30%-35% накапливается в почве, в результате чего повышается кислотность почв.
В результате долгосрочное внесение больших доз минеральных удобрений снижает естественное плодородие почвы и приводит к выведению земельных участков из земельного оборота.
Кроме того, в качестве источников калийных и фосфорных удобрений используются невозобновляемые источники, и существующая практика земледелия не устойчива в долгосрочном периоде.
Кроме того, внесение минеральных удобрений не помогает восполнить для растения недостаток другого ключевого питательного элемента – углекислого газа. Растения потребляют в сотни раз больше СО2, чем минеральных веществ; его дефицит так же вреден для них, а добавка так же повышает урожай. При этом в естественной среде в роли ключевого источника углекислого газа выступает разлагающееся органическое вещество в почве.
Неразложившаяся органика
Всего 10% продукции растениеводства выращивается для потребления человеком, а 90% - идет на корм животным. В природных биоценозах вся органика - растительная, а в агроценозах больше половины всей органики – навоз и помёт. Это вносит свою часть трудностей. Хотя возврат органики для поля крайне важен, наши поля почти не получают её.
При этом для поддержания плодородия недостаточно только вносить минеральные удобрения. Минеральные элементы – это 3-4% от всей биомассы урожая. А 97% - органика, построенная из углекислого газа и воды. Минеральных элементов в почве – в сотни раз больше, чем вносится. А вот углекислого газа в воздухе – в 20-50 раз меньше, чем нужно растениям.
В природных условиях источником углекислого газа является разлагающаяся органика: за первое же лето 3/4 органики разлагается на СО2 и воду. При этом в верхнем слое почвы концентрация СО2 повышается в 500-1000 раз. Углерод для урожая поставляет в основном почва.
Минералы поставляются растениям параллельно и пропорционально углероду. Опытным путём доказано, что минералы ППК переходят в раствор тем сильнее, чем больше распадается органики, – их освобождают микробы, потребляющие органику, и угольная кислота, в которую частично переходит почвенный углекислый газ.
Иначе говоря, возвращать в соответствие с балансом выноса биомассы нужно не «элементы питания», а биомассу органики. «Бочка Либиха» была бы корректной, если бы в списке элементов питания на своём законном первом месте стоял углерод в виде СО2.
Возврат органики – необходимое и достаточное условие устойчивого сельского хозяйства. Это миллионы лет демонстрируют все природные биомы : они абсолютно устойчивы. Это же показывают и агроценозы. Каждая тонна органики даёт прибавку в 3 т биомассы урожая, то есть увеличивает консервацию солнечной энергии вдвое. Соответственно, вдвое уменьшаются энергозатраты на агротехнику, и вдвое растёт рентабельность сельского хозяйства.
И наоборот: нет органики в почве – не используется динамическое плодородие – не используются минеральные вещества – не востребован фотосинтез – не запасается энергия в урожае.
Сейчас возвращается в почвы 20-30% растительной биомассы – в основном корни и пожнивные остатки, что недостаточно для поддержания плодородия. Чтобы сохранять плодородие, нужно возвращать почвам и весь навоз, и фекалии, и все растительные отходы. Для урожая зерна в 25 ц/га растениям нужно около 100 кг макро- и микроэлементов и около 1000 кг сухой органики для получения СО2 и микробного сервиса. При этом минеральное питание обеспечивается самым дешёвым и безопасным способом – путём воздействия микробного распада органики на ППК и почвенные породы.
В настоящий момент распространено мнение, что органику урожая в свежем виде вернуть в почву невозможно – она «отчуждается необратимо» в процессе уборки урожая. Однако биомасса растений не пропадает – почти вся она остаётся в виде навоза, сточных вод и отходов промышленности, которые не возвращаются обратно в почву с/х земель.
Это приводит к тому, что избыточное применение минеральных удобрений, вместе с нейтрализацией их вреда, стоит сейчас втрое дороже, чем организация постоянного возврата органики.
Динамическое плодородие
С/Х наука оперирует двумя видами плодородия. Потенциальное плодородие – это вероятная продуктивность почвы, исходя из содержания питательных элементов и гумуса. Эффективное плодородие – реальная продуктивность, которую получили на практике. Ни то, ни другое не объясняет, в чём заключена суть плодородия, и как его увеличить. Ошибочен сам подход. Плодородие – не набор параметров. Это процесс.
Разложение органики на порядок повышает микробную активность и выделение СО2. Углеводы – корм для азотофиксаторов – резко повышают фиксацию азота. Фактически, органика регулирует азотный обмен с атмосферой. Распад органики активизирует микробный переход калия и фосфора в раствор. Тут же идёт синтез БАВ и защитных веществ. Одновременно органика оптимизирует водно-физические свойства почвы. На урожай работает не потенциальное плодородие, а процесс в реальном времени. Жизнь растений обеспечивает синергетическое взаимодействие микробов, ППК и органики – динамическое плодородие.
Динамическое плодородие – это биологическое превращение энергии старого органического вещества в новую биомассу. Чем больше навоза и соломы разлагается непосредственно в поле, тем больше энергии будет отдано плодородию, и тем больше энергии Солнца будет запасено в урожае.
Несмотря на огромные суммы и масштабные проекты, динамическое плодородие в СХ никогда научно не воспроизводилось. В качестве компромиссного результата в почву вносятся компосты, «биогумусы» и гуматные удобрения, что не приводит к желаемому эффекту.
И гумус, и минеральные соли – как и прочие факторы: сама органика, отдельные микробы, биологически активные вещества, газы и вода - связаны с плодородием, могут увеличивать его, но не являются его причиной. Главная причина плодородия – разложение органического вещества.
Азот
Азот поступает в растения из растительных остатков или из воздуха. В обоих случаях – с помощью бактерий. Одни бактерии переводят азот органики в простые соединения – аммиак и нитраты.
Другие – их большинство – фиксируют азот воздуха в органических веществах. Многие из них находятся в симбиозе, помогая друг другу. И практически все азотофиксаторы, даже клубеньковые бактерии бобовых, кормятся углеводами и без клетчатки, лигнина или сахаров не станут фиксировать азот. Азотофиксация целиком зависит от наличия органики.
Если бы на наши поля вернулась вся органика, азотофиксаторы получили бы больше 60 млн. тонн углеводов и связали бы более 12 млн. тонн азота. Если бы навоз не компостировался, в нём осталось бы ещё около 6 млн. тонн азота. Каждый год мы теряем 18 млн. тонн бесплатного и полезного азота лишь для того, чтобы искусственно произвести 8 млн. тонн вредных азотных удобрений.
Углекислый газ
Фотосинтез – это использование СО2 для построения органики. Главная составляющая в веществе урожая (до 80%) – углекислый газ. Но в воздухе на порядок меньше СО2, чем его поглощают растения.
Например, свёкла поглощает в день около 300 кг/га СО2, тогда как в пятиметровом слое воздуха его содержится всего 28 кг. СО2 для высоких урожаев поставляет почва. И единственный его источник – органика прошлого года. Окисляясь с помощью бактерий, 1 кг углеводов даёт около 2 кг СО2.
Минеральные элементы
При нарушении баланса минеральные элементы часто вступают в антагонизм и блокируют усвоение друг друга. Поэтому для растений важна не просто доступность, но и сбалансированный состав питания. А самый лучший баланс элементов – в телах самих растений. Возврат всей органики не просто мобилизует минералы из ППК, но и сам приносит достаточные дозы элементов.
Вещества из круговорота никуда не уходят - на планете их всегда достаточно. Нам нужна только энергия – чтобы использовать эти вещества снова и снова. Плодородие – это реализация симбиоза растений и микробов в циклическом процессе круговорота веществ.