Накопичення та утворення гумусу: чи це можливо та як його досягти
Ідея цілеспрямованого накопичення гумусу в агровиробництві залишається однією з найбільш обговорюваних. Адже таким чином можна одразу вирішити два важливих питання: і рівень родючості грунтів підвищити, і мінімізувати викиди вуглекислого газу в атмосферу.
Підприємливі європейці навіть створюють спеціальні стартапи і розробляють бізнес-плани отримання аграріями додаткового прибутку за СО₂-сертифікатами в результаті скорочення викидів парникових газів. Розрахунок простий: вміст гумусу в ґрунтах безпосередньо залежить від рівня присутності в них органічного вуглецю (гумус = Corg х 1,72). Мета — зв'язати якомога більше вуглецю і відправити його «на зберігання» у вигляді стабільного гумусу. У зв'язку з цим виникають питання: як взагалі утворюється стабільна форма гумусу і наскільки можна керувати його утворенням?
Процеси гумусоутворення
Рушійною силою утворення органічної субстанції є фотосинтез — процес, що наділяє рослини здатністю перетворювати вуглекислий газ з атмосфери в цукри за безпосередньої участі світла та води. Для утворення ензимів, з яких потім створюються довгі ланцюжки вуглеводів, жирів і амінокислот, рослинам необхідно шістнадцять різних мінеральних речовин і мікроелементів. Основні — азот, фосфор, сірка, кальцій і магній. Вони беруть участь у процесах формування клітин і забезпечують їх належне функціонування. Калій — винятково функціональний елемент, присутній тільки в клітинному соку.
Читати по темі: Ми їх втрачаємо! Ґрунти України бідніють і деградують
20-30% утвореної в процесі фотосинтезу енергії споживається кореневою системою рослини. Її ексудати і відмерлі кореневі волоски у свою чергу виступають основним джерелом живлення для мікроорганізмів. Так, за окремими дослідженнями, здорові посіви кукурудзи за вегетаційний період виділяють в ґрунт до 1000 т га (100 л/м³) багатих вуглеводами ексудатів, і таким чином приносять в нього вуглець. Саме тому при підборі проміжної культури більш важливим критерієм є здатність рослини до розвитку потужної кореневої системи, а не потенційний вихід зеленої маси.
У відповідності з традиційним підходом у розгляді процесів гумусоутворення, багаті вуглеводами і білками рослинні залишки і утворений з них лабільний гумус є поживою для грунтоутворюючих організмів, мінералізовані продукти їхнього розкладання, в свою чергу, слугують живленням для рослин, а стабільний гумус є скупченням макромолекул, утворених з рослинних залишків, багатих лігніном. І якщо земельна ділянка не відрізняється надлишковим зволоженням або надмірною сухістю, якщо грунтове середовище не занадто кисле, а температура не надто низька, всі рослинні залишки, відмерлі мікроорганізми і виділення коренів розкладаються до вуглекислоти. Утворення гумусу можливо, тільки якщо процес розкладання буде перерваний і вуглець стабілізований.
Нові дослідження змогли довести, що стабільний гумус утворюється на грунтових агрегатах і поверхнях мінералів лише в результаті стабілізації гумінових речовин (Corg) оксидами металів. Джерелом вуглецю при цьому можуть бути як вуглеводи, так і білки, що постачаються насамперед корінням.
Роль металів та коренів
На кислих грунтах (рН <5) поглинання вуглецю (Corg) значною мірою відбувається за рахунок залізо- та алюмінієвмісних комплексів. У підзолистих ґрунтах (рН=3) органічний вуглець відкладається в ортштейнових горизонтах у вигляді гуматів заліза і полуторних окисів. Такі ґрунти для сільського господарства не придатні.
У ґрунтах зі слабко вираженим кислим середовищем (рН 5,5–6,5) органічний вуглець буде зберігатися переважно у формах нейтральних силікатів, а не оксидів заліза і алюмінію. Кальцій, що надходить в результаті обмінних процесів, відіграє незначну роль. Такий механізм може досить ефективно працювати в ґрунтах вулканічного походження в умовах вологих тропіків. Ґрунти такого рівня рН у наших широтах зазвичай схильні до ерозії та замулювання і не відрізняються гарною несучою здатністю. У піщаних ґрунтах вміст гумусу низький — Corg менше 1%, і тільки за рахунок надходжень органічної маси його підвищити не вдасться. Однак це стає можливим на ґрунтах з рН 6,5 і більш високою часткою вмісту глини, в ідеалі — 20-30%. У таких ґрунтах кальцій пов'язує органічний вуглець з мінералами глини в стабільні глинисто-гумусові комплекси. Оксид кальцію, наявність якого у вільному доступі передбачається при рН 7, буде сприяти процесу.
Досліджуючи чорноземи в Австрії (рН>7, оксид кальцію у вільному доступі), вчені встановили, що більше 90% вуглецю зв'язано в мінералах глини і ґрунтових агрегатах. Вуглець у найбільш стабільній формі виявлявся на глинистих мінералах, джерелом його надходження були кореневі ексудати і залишки мікроорганізмів. У ґрунті у вигляді стабільного гумусу зберігається 46% вуглецю, що надійшов з ексудатом коренів, і 8% — утвореного за рахунок розкладання кореневих пагонів. Тому коріння і ґрунтова фауна відіграють центральну роль у процесі гумусоутворення, а використання всього вегетаційного періоду за рахунок висіву поряд з основними культурами проміжних або покривних — найбільш ефективний шлях до одержання багатих гумусом грунтів.
Плюс на мінус
Гумінові речовини та глинисті мінерали — колоїди, що мають негативний заряд іонів. Цінність присутності катіонів полягає в тому, що вони, вступаючи у зв'язок з негативно зарядженими колоїдами, утворюють міцні зв'язки. Найефективніший подібний зв'язок на ґрунтах сільськогосподарського користування, коли заряджені позитивно частинки кальцію (Са²+), вступивши в реакцію, пов'язують один з одним глину і гумус і утворюють ґрунтові агрегати. Даний процес називається флокуляцією і є підготовчим етапом утворення стабільної ґрунтової частинки. Для успішного формування ґрунтових агрегатів колоїди суглинків повинні бути насичені на 70-80% кальцієм, на 10% — магнієм і на 5% — калієм.
Читати по темі: Сухе землеробство як інструмент адаптації до змін клімату
Виникає питання, чи не є глинисті мінерали і катіони кальцію обмежуючими факторами для гумусоутворення? Встановлений факт: суглинки з оксидом кальцію в доступі відрізняються найбільш високим вмістом гумусу.
Оптимальне співвідношення
Вчені Швейцарського технічного університету виходять з того, що об'єм органічного вуглецю, який можна зберегти в грунті, залежить від вмісту глини, і рекомендують співвідношення 10:1 як оптимальне. Таким чином, легкі ґрунти з 10-відсотковим вмістом глинистих мінералів можуть бути збагачені одним відсотком органічного вуглецю (близько 1,7% гумусу), а важкі ґрунти, що містять до 30% глинистих мінералів, можуть претендувати на 5-відсоткове збагачення гумусом. Однак доцільно прагнути до такого рівня гумусу, за якого оптимально будуть протікати біологічні, хімічні й фізичні процеси в ґрунті, сформується потрібний рівень родючості.
Оскільки гумус складається в основному з вуглецю і азоту, в гонитві за нарощуванням родючості на певні перепони можуть натрапити органічні виробники: щоб 20-сантиметровий орний шар збагатити 0,1% вуглецю (приблизно 0,2 % або близько 5000 кг га гумусу), при необхідному співвідношенні вуглецю і азоту 10:1 потрібно буде внести азоту в д. р. 300 кг/га.
Поліпшити якість грунтів з погляду підвищення їхньої стійкості до ерозії, підвищення інфільтрації, вологозбереження і пронизаності коренями — велика задача у світлі кліматичних змін. Тільки за рахунок сівозмін, застосування безплужного ґрунтообробітку, висіву проміжних і мульчованих культур цього не домогтися. Успіх від даних заходів і процесу гумусоутворення дуже часто руйнується недостатнім вмістом оксиду кальцію в грунті, а з ним катіонів, здатних врівноважити від'ємно заряджені частинки грунтового розчину.
Обстеження сільськогосподарських угідь у Німеччині в квадраті 8х8 км виявило 3100 земельних ділянок, де дефіцит вапна був більший, ніж гумусу. Внесення добрив у відповідності з результатами ґрунтового аналізу — відмінна основа для організації гармонійного живлення рослин. Але варто пам'ятати, що надлишок калію і магнію негативно впливає на структуру ґрунту. Господарствам, що застосовують органічні добрива, слід тримати під контролем не тільки надходження в грунт азоту і фосфору, а й ємність катіонного обміну, незважаючи на оптимальне значення рН.
Читати по темі: Натрій: елемент, за концентрацією якого варто слідкувати
Якщо з кислотністю грунту все в порядку, а в зволоженому і прихованому від сонця соломою грунті є достатня кількість елементів живлення, присутній кисень, то активне внутрішньогрунтове життя, що сприяє зміцненню структури ґрунту, не змусить на себе довго чекати. Кальцій сприяє флокуляції колоїдів, яка є передумовою утворення грунтових агрегатів і стабілізує гумус. Покращена в результаті використання вапна або іншого меліоранту грунтова структура буде відрізнятися гарними інфільтраційними властивостями, що дозволить зберігати вологу для її використання рослинами в посушливі періоди. Не гумус утримує вологу, а ґрунтові пори, розмір яких залежить від наявності та кількості гумусу і кальцію. Підприємствам, що господарюють на ґрунтах з оптимальним вмістом гумусу, або пощастило з місцерозташуванням земельних ділянок — у грунті від природи достатньо оксиду кальцію, або ж їхні власники дізнались цінність таких меліорантів , як гіпс і вапно, і за рахунок їх використання змогли відновити катіонно-іонну рівновагу в грунті.
Читати по темі: Хімічна меліорація грунтів: меліоранти та їх застосування
До слова, гумусоутворення не лише впливає на родючість, але й певним чином захищає клімат. Гумус, серед всього іншого, накопичує ще й азот і може бути постійним джерелом його постачання для росту рослин. Тому накопичення гумусу в ґрунті має особливе значення для сталого рослинництва, в тому числі для органічного господарювання. Процес накопичення гумусу довготривалий, а ефект досягається не відразу. Хоча деякі зміни можна побачити швидко, проте позитивний вплив, наприклад, на врожайність культур проявляється часто лише з роками. Вміст та якість гумусу не в останню чергу залежать від способу господарювання. Органічні добрива, сівозміни із вирощуванням кормових культур та проміжними культурами значною мірою сприяють збереженню й покращенню якостей гумусу завдяки мікробному синтезу.
Найбільш визначним є вміст гумусу в орному шарі. За цим показником прийнята шкала якісної оцінки землі, виражена в балах. Щоб перевести органічну речовину в гумус, потрібно органічну помножити на 0,7 (3,7 гумусу помножити на 0,7, тоді = 2,6 гумусу).
Шкала оцінки землі за вмістом гумусу в орному шарі ґрунту, в балах:
Рівень врожайності без добрив, окрім вмісту гумусу, визначається також вмістом фосфору, калію та інших елементів живлення. Вміст цих елементів визначають за допомогою аналізу грунту, для якого проби відбирають з певною періодичністю на кожному полі окремо.
Олена Басанець, SuperAgronom.com
Думка редакції SuperAgronom.com може не збігатися з точкою зору автора. Редакція не несе відповідальності за достовірність і тлумачення наведеної інформації і виконує роль виключно носія.
