Оценка содержания гумуса в пахотных почвах России
Дана оценка содержания гумуса в минеральных почвах России, основанная на теоретическом, расчетном и экспертном подходах. Представлен обзор и проведен анализ градаций почв по содержанию гумуса, разработанных Почвенным институтом им. В.В. Докучаева (1977, 1985, 1997, 2001, 2003, 2004) и Д.С. Орловым с соавторами (1978, 2004). Дано теоретическое обоснование и предложена шкала почв России по степени гумусированности, где в качестве точки отсчета представлены значения минимального содержания гумуса, а объективные интервалы шкалы значений содержания гумуса основаны на величинах межлабораторных допустимых расхождений. Введено понятие глобальной оценки, охватывающей широкий спектр почв России и отражающей различия между типами почв по содержанию гумуса, и дифференцированной оценки, характеризующей различия внутри типа (подтипа) почв по величинам этого показателя. Изложены методические приемы по определению минимально допустимых, оптимальных и максимально допустимых значений содержания гумуса в пахотных горизонтах почв.
Химический состав почв представлен тремя группами компонентов. Это вещества, ранее входившие в состав материнских пород; вещества, поступающие в почву с атмосферными и пылевыми осадками и, наконец, органические вещества, принадлежащие к различным классам соединений и накапливающиеся в первую очередь за счет остатков высших растений и микроорганизмов, а в почвах преобразуемые в гумус. Наиболее актуальна третья группа, являющаяся практически чуть ли не единственным источником самых различных органических соединений, которыми теоретически и практически обусловлено как формирование гумусовых горизонтов фактически любых почв, так и образование, и накопление в почвах специфических органических соединений — гумусовых веществ. Именно эти вещества придают почвам своеобразные облик и свойства, отличающие их от других природных тел [16].
Согласно Александровой, гумусо-образование, то есть формирование гумуса, это процесс специфичный для почв, в отличие от гумификации, протекающей во многих природных средах — торфах, илах, сапропелях, углях и др. (в том числе и в почвах) и приводящей к образованию гумусовых веществ.
В Большой Российской энциклопедии [3] дано следующее определение гумуса: “Гумус — динамичная система, состоящая из совокупности растительных и животных остатков, утративших черты анатомического строения и претерпевающих различные этапы разложения и синтеза; основная и важнейшая составляющая часть органического вещества почвы”.
В словаре почвенных терминов США [25] приведено иное определение: “Гумус — это более или менее стабильная фракция почвенного органического вещества, остающаяся после того, как главная часть попавших в почву растительных или животных остатков разложилась”.
Гумус является одним из важнейших показателей, определяющих генезис и плодородие почв.
В “Классификации и диагностике почв СССР” содержание гумуса рассматривается на видовом уровне. Видовые характеристики по содержанию гумуса соответствуют определенным типам почв (табл. 1).
В “Классификации почв России” [11], “Классификации и диагностике почв России” [10], в отличие от предыдущей классификационной системы, предложены более общие критерии идентификации почв по содержанию гумуса на видовом уровне:
Виды по содержанию гумуса в аккумулятивно-гумусовом горизонте, % от массы почвы (по [11]).
Для почв с темно-гумусовым и агро-темно-гумусовым горизонтом
Вид Гумус, %
1. Слабо-гумусированные <3
2. Мало-гумусированные 3-5
3. Средне-гумусированные 5-7
4. Много-гумусированные 7-9
5. Тучные >9
Таблица 1. Разделение типов почв СССР на виды по содержанию гумуса
В системе показателей Гришиной и Орлова [5] приведены обобщенные для всех типов почв градации по содержанию гумуса (табл. 2). По их мнению, небольшое число уровней показателя выделено для облегчения группировок почв. Эту же цель преследуют и целочисленные пределы для каждого Уровня. Как считают авторы, хотя такой подход несколько упрощает характеристику природной обстановки, но все же каждый из уровней с некоторым приближением отвечает реальным свойствам почв конкретных типов. Так, высокое содержание гумуса 6—10% действительно свойственно черноземам, а низкое и очень низкое (2—4 и <2%) — дерново-подзолистым почвам и подзолам.
В 2004 г. Орловым с соавторами была предложена система “Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов” [16]. Авторы считают, что ранее приведенных степеней градаций содержания гумуса явно недостаточно, если принять во внимание особенности однотипных ночв со сравнительно близкими уровнями накопления органического вещества. Для показателя “содержание гумуса” ранее было использовано пять градаций, что является явно недостаточным. Особенно когда речь идет об описании сходных по генезису почв. Ими предложено ввести более дробную градацию, которая точнее охватывает реальные почвенные типы. Эти предполагаемые уровни различного содержания гумуса представлены в табл. 3. Они, по мнению авторов, значительно превышают и даже расширяют ранее приведенные уровни, но больше отвечают реальным свойствам почв и представляются значительно более удобными для большинства российских, а, может быть, и многих мировых почв.
Следует отметить, что предложенные в мировой коррелятивной базе почвенных ресурсов (WRB) для почвенных единиц квалификаторы по содержанию органического углерода — гумик и гипергумик, основаны только на экспертной оценке [15].
Таблица 2. Уровни содержания гумуса для группировки почв (по [5])
Оценочные шкалы Гришиной, Орлова [5], Орлова с соавторами [16] и приведенную в “Классификации и диагностике почв России” [10] по степени гумусированности почв можно рассматривать как глобальные, отражающие в определенной степени генетическую принадлежность почв. В то же время в работе Стокозова с соавторами было показано, что система Гришиной, Орлова [5] не может быть использована для объективной оценки гумусового состояния почв пашни, так как предложенные градации не были увязаны с конкретным типом почвы и его гранулометрическим составом.
На основе массового материала ВНИПТИХИМ разработал предварительные градации для пахотных почв России по степени гумусированности, в основу которых положены тип (подтип) почвы и три группы по гранулометрическому составу. Следует отметить, что ранее в “Классификации и диагностике почв СССР” [9] три подтипа каштановых почв по содержанию гумуса разделяли на две группы с учетом гранулометрического состава.
В отмеченных выше “Временных рекомендациях по отбору почвенных проб для определения гумуса при агрохимическом обследовании пахотных земель России” [4], предложенных коллективом авторов от ВНИПТИХИМа, Почвенного института им. В.В. Докучаева, ВПНО “Рос-сельхоз-химия”, почвы по степени гумусированности подразделены на пять групп — очень низкая, низ-
кая, средняя, повышенная, высокая. Для черноземных почв группы выделяются с шагом в 1 % по содержанию гумуса, а для остальных почв, за некоторым исключением, в первых группах интервал составляет 0.5%, а в последних (трех) — 1%.
По-нашему мнению, несмотря на имеющиеся косвенные экспресс-методы установления значений С min, для более точной оценки величин минимального содержания гумуса его следует определять в длительных опытах с бессменными чистыми парами.
Таблица 4. Градации пахотных почв по содержанию гумуса, %
Учитывая, что в абсолютном большинстве многолетних стационарных полевых опытов России варианты с бессменным чистым паром не предусмотрены, считаем целесообразным их незамедлительную закладку. Варианты с бессменным чистым паром могут быть заложены на старопахотной почве, находящейся вблизи стационара с многолетними опытами. Через 10—15 лет парования на этой почве произойдет потеря основных запасов органического вещества, и содержание гумуса в ней установится на уровне, достаточно близком к минимальному.
Было предложено [12] при оценке степени выпаханности черноземов с позиций их гумусового состояния использовать в качестве точки отсчета значения минимального содержания гумуса, а объективные интервалы шкалы значений содержания гумуса согласно строить на основании величин межлабораторных допустимых расхождений.
Межлабораторные допустимые расхождения рассчитаны на основании данных бесповторност-ного анализа С орг, определяемого способом сухого сжигания. D = 2.8S для разности двух единичных измерений, где D — абсолютное межлабораторное допустимое расхождение, S — среднее квадратическое отклонение. D — наименьший возможный размер класса в шкале данного почвенного признака.
В качестве примера приведем шкалу градаций выпаханности для типичных и выщелоченных черноземов Среднерусской возвышенности по содержанию гумуса (%): тяжелосуглинистые — эродированные — <5; сильно-выпаханные — 5.0—5.9; средне-выпаханные — 5.9—6.9; слабо-выпаханные - >6.9; среднесуглинистые — эродированные — <4.5; сильно-выпаханные — 4.5—5.4; средне-выпаханные — 5.4— 6.3; слабо-выпаханные — >6.3.
С учетом вышеизложенного составлена шкала градаций пахотных почв России по степени гумусированности пахотного слоя, состоящая из четырех классов (табл. 5). Для данной таблицы величина D взята из работы по материалам межлабораторного аттестационного эксперимента, проведенного в СССР на стандартных образцах при определении органического углерода по методу Тюрина. В случае внедрения в системе аналитических лабораторий агро. хим. службы России вместо методик определения содержания органического углерода в почвах способом сухого сжигания на автоматических анализаторах можно использовать информацию по межлабораторному эксперименту, приведенную в работе [2], с целью построения шкал на этой основе.
Первый класс — содержание гумуса меньше минимального — включает почвы, частично утратившие инертную компоненту гумуса в результате эрозионного выноса почвенных частиц, перемешивания гумусового горизонта с нижележащими, механического выноса тонкодисперсных частиц при уборке пропашных культур и т.д. Второй — слабо-гумусированные, третий — средне-гумусированные — включает почвы, в той или иной степени утратившие трансформируемое органическое вещество по отношению к его содержанию в целине в результате биологической минерализации. Четвертый — сильно-гумусированные — включает пахотные почвы, близкие по содержанию гумуса к целинным.
В предложенной шкале градаций пахотных почв России дана дифференцированная оценка содержания гумуса, учитывающая его трансформируемый компонент, который в определенной степени характеризует эффективное плодородие почв.
Здесь следует отметить весьма важное обстоятельство. Формирование и преобразование гумуса является совокупностью протекающих в почве физических, физико-химических, химических, биохимических и биологических процессов. Однако используемое в настоящее время его разделение на лабильные, активные, легкоразлагаемые, с одной стороны, и устойчивые, инертные, стабильные группы фракций, с другой стороны, носит весьма условный характер. Так, например, если речь идет о гумусовых веществах черноземов, извлекаемых непосредственно 0.1 н. раствором NaOH, то следует говорить о лабильности с позиций химического фракционирования. Если проводится биокинетическое фракционирование органического вещества почвы согласно схеме Семенова с соавторами, то оно в определенной степени характеризует биологические почвенные процессы. Трансформируемое органическое вещество, рассчитанное на основе формулы С trans = С tot — С min [6, 7], наиболее адекватно отражает нативную лабильность органического вещества почвы, которая является результирующей различных процессов.
Проблема необходимого и достаточного обеспечения пахотных почв органическим веществом приобретает все большую актуальность в связи с нарушением естественных процессов в биосфере и задачей оптимизации его управления для достижения устойчивого и экологически безопасного земледелия [21].
В пределах допустимого диапазона изменений содержания гумуса вполне реальна задача его регулирования на нормативной основе.
Таблица 5. Градации пахотных почв РФ по степени гумусированности (содержание гумуса в пахотном слое, % от массы почвы)
Таблица 6. Предварительные диапазоны изменения содержания гумуса (% от массы почвы) в типичных черноземах (пахотный слой)
С позиций агроэкологии стратегия внесения органических удобрений при условии их ограниченных ресурсов должна быть направлена на удобрение наиболее выпаханных почв. В то же время слишком высокое содержание гумуса может быть экологически и экономически невыгодным, поскольку неизбежно связано с активным высвобождением азота, особенно в периоды, когда он не может быть использован растениями [7] и, следовательно, с загрязнением окружающей среды. По этой причине нормативы обеспеченности органическим веществом имеют верхнюю границу.
В настоящее время предложены предварительные допустимые диапазоны изменения содержания гумуса в основных типах пахотных почв России [24]. В табл. 6 в качестве примера рассмотрены диапазоны изменений содержания гумуса в типичных черноземах, подверженных агро-генным воздействиям.
В основу определения значений оптимального содержания гумуса положены предложения Кершенса и Шульц [8], учитывающие количества легкоразлагаемого органического вещества в почвах Германии и скорректированные для условий России. Согласно этим авторам содержание органического углерода и азота в почвах имеет относительно узкие экологические пределы, которые составляют для условий Германии в обычных для практики системах землепользования 0.2— 0.6% разлагаемого органического углерода и
0.02—0.06% разлагаемого азота. При содержании ниже этих пределов плодородие почвы, урожайность сельскохозяйственных культур и ассимиляция С02 в фито-массе являются недостаточными, выше этих пределов наблюдаются потери органического вещества и загрязнение окружающей среды.
Заключение
Российскими учеными Гришиной, Орловым, Бирюковой, Розановой и в “Классификации и диагностике почв России” предложены шкалы гумусированности почв, которые могут оцениваться как глобальные, отражающие генетическую принадлежность почв.
В отличие от глобальной, генетической оценки степени гумусированности почв, разработаны дифференцированные оценки, отражающие различия по содержанию гумуса внутри типа (подтипа) почв, в том числе и агроэкологические. Составлена шкала градации пахотных почв России по степени гумусированности, состоящая из четырех классов: содержание гумуса меньше минимального, слабогумусированные, среднегумусированные, сильногумусированные. В предложенной шкале отражена агроэкологическая оценка содержания гумуса, учитывающая его трансформируемую компоненту, которая в определенной степени характеризует эффективное плодородие почв.
Разработаны подходы и приведены примеры допустимых нормативных значений содержания гумуса в пахотном горизонте почв, в основу которых положены предложения различных авторов по минимальным, максимальным (сильно-гумусированным) и оптимальным уровням содержания гумуса.
Здесь прежде всего следует отметить, что в России до сих пор отсутствует информация, позволяющая определить количество оптимального трансформируемого С орг в условиях длительных полевых опытов, заложенных на различных типах почв. Для определения оптимальных значений содержания гумуса был использован экспертный подход с экстраполяцией данных других авторов. Согласно Кершенсу, Шульц [8] оптимальное количество трансформируемого С орг лежит в интервале 0.2—0.6% от массы почвы. Имеется априорная информация, что с возрастанием валового содержания гумуса несколько нарастает содержание трансформируемого С орг; однако зависимость не носит четко выраженного характера. Диапазон по содержанию гумуса в почвах России значительно шире, чем таковой в Германии. Поэтому на почвах с содержанием С орг > 3—4% от массы почвы для определения величин оптимального содержания гумуса количество трансформируемого С орг составляло >0.6% от массы почвы. В случае близости почв России и Германии по содержанию гумуса для определения его оптимальных значений применяли указанный выше диапазон по содержанию трансформируемого С орг.