Humus and nitrogen state virgin and cultivated chernozems

При сельскохозяйственном освоении целинных и залежных черноземов запасы гумуса и азота (основных составляющих плодородия) в их верхних горизонтах заметно уменьшаются. Это связано как с исчезновением естественного покрова многолетней травянистой растительности, ежегодно обогащающей почву органическим веществом, так и с выносом большого количества биофильных элементов урожаем культур. Снижение запасов гумуса и азота происходит до определенного уровня, величина которого зависит от почвенно-климатических условий зоны, длительности и продолжительности антропогенного воздействия на почву.

Природное плодородие черноземов обусловлено аккумулирующей деятельностью естественной растительности и микроорганизмов, способствующих концентрированию зольных элементов и азота в виде органических остатков, гумуса и минеральных веществ за длительное время почвообразования.

Иллюстрацией к сказанному служит комплексное изучение эволюции черноземных почв по питательному режиму в Центрально-

Таблица 1. Роль травостоя в балансе азота на типичных черноземах

Участок степи	Глубина взятия образца, см	Вес воз-душносухих корней, т/га	Содержание общего азота, %
			травостой				корни
			бобовые	злаки	разнотравье	среднее
Стрелецкая степь: некосимая	0-30	18.5	2.37	1.58	1.53	1.61	1.24
	30-50	1.6	—	—	—	—	1.26
косимая	0-30	16.3	2.24	1.36	1.61	1.62	1.25
	30-50	1.3	—	—	—	—	1.15
Попереченская степь некосимая	0-30	14.1	2.51	1.24	1.74	1.39	1.13
	30-50	1.6	—	—	—	—	—

Черноземном заповеднике им. В.В. Алехина Стрелецкой степи (Курская обл.) и в Попереченской степи (Пензенская обл.). Полученные данные (Болотина, 1965) дают представление о роли травостоя в азотном режиме степных черноземов (табл. 1).

На некосимой степи азот, остающийся с растительным отмирающим покровом («степной войлок») в количестве 26-35 кг/га, составляет 0.20-0.27% общего азота почвы в слое 0-30 см.

Поступление азота в целинные черноземы с надземной и корневой массой растительности на некосимой степи составляет 69-85 кг/га в год. Биологическая масса, образующаяся в природных экосистемах, потребляется, перераспределяется и разрушается внутри этих экосистем. Влияние минерального состава растений на почвообразовательный процесс и формирование почвенного плодородия сильно меняется в зависимости от характера растительного покрова и водного режима местности.

Травянистые агроценозы на типичном черноземе характеризуются отношением надземной части фитомассы к массе корней, как 1 : 9; 1 : 12 (Ковда, 1956).

Интенсивный биологический круговорот минеральных веществ под покровом травянистой растительности способствует максимальному накоплению элементов минерального и азотного питания в горизонтах высокогумусовых луговых и черноземных почв.

Таблица 2. Запасы гумуса и азота в черноземах ЦЧП, т/га (Шконде и др., 1974)

Подтип чернозема	Запасы гумуса			Запасы азота
	слой,			см
	0-20	0-100	0-160	0-20	0-100	0-160
Оподзоленный	120-160	410-450	430-480	6-8	16-20	18-24
Выщелоченный	130-175	480-620	450-670	7-10	18-27	22-32
Типичный	160-210	650-780	720-860	8-12	23-30	26-35
Обыкновенный	130-150	490-560	550-630	7-8	17-24	21-28
Южный	90-120	310-400	350-440	5-6	11-14	13-17

Накопление в почве гумусовых веществ и азота является важнейшим показателем почвообразовательного процесса и плодородия почв (Фрид и др., 2010), причем между содержанием гумуса и азота существует тесная корреляция. Это связано с тем, что весь почвенный азот (за исключением природно-фиксированного и незначительного поступления с атмосферными осадками) является результатом биологической аккумуляции: около 90% азота почвы находится в органической форме, генетически связанной с гумусом (Королева, 1972; Гамзиков, 1981).

По запасам гумуса и азота черноземы лесостепи и степи имеют существенные различия (табл. 2). Наибольшие запасы гумуса сосредоточены в миграционно-мицелярных (типичных) черноземах, минимальные - в текстурно-карбонатных (южных).

Минерализация гумуса и азота в зональных подтипах чернозема отличается интенсивностью, обусловленной различными гидрологическим и температурным режимами, и прослеживается в общих географических закономерностях. При распашке и длительном сельскохозяйственном использовании целинных и залежных черноземов наблюдается заметное уменьшение содержания гумуса и азота, а также их запасов как в пахотном горизонте, так и в слое 0-50 см (Адерихин и др., 1971).

В агрочерноземах минерализация гумуса и органического азота интенсивно происходит в первые годы освоения, после чего процесс замедляется и стабилизируется на уровне, зависящем от величины антропогенного воздействия. Установлено, что в агрочерноземах наряду с уменьшением общего содержания гумуса, наблюдается абсолютное уменьшение (от веса почвы) всех групп гумусовых веществ (гуминовых и фульвокислот, негидролизуемого остатка). Однако относительное содержание отдельных групп гумусовых веществ в составе гумуса агрочерноземов изменяется незначительно и остается характерным для данного типа почв (Кононова, Бельчикова, 1961; Лаврентьев, 1966; Пономарева, Николаева, 1965).

По данным Болотиной (1950), при распашке черноземов Стрелецкой степи достоверные изменения в содержании гумуса были отмечены для верхней толщи мощностью 40 см, различия по этому показателю для более глубоких почвенных слоев были несущественными .

Азотный фонд зональных подтипов черноземов имеет свои особенности. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов. Важнейшим показателем этого процесса является увеличение в корнеобитаемом слое запасов минерального и легкогидролизуемого азота.

В табл. 3 приведены общее содержание и формы азота в подтипах черноземов разного культурного состояния. Сравнительная оценка подвижности азота в пахотном и целинном выщелоченном черноземе Орловской опытной станции (разр. 24 и 26) показала, что в пахотной почве в 3 раза увеличилось содержание минерального азота (с 0.1 до 0.3 т/га) по всему метровому профилю за счет некоторого уменьшения количества трудногидролизуемой (с 5 до 4 т/га) и негидролизуемой фракций (с 21 до 17 т/га).

Значительный интерес представляют данные по формам азота в типичных черноземах, наиболее богатых гумусом и общим азотом. Уникальным объектом для изучения форм азота является типичный тяжелосуглинистый чернозем Центральночерноземного степного заповедника. Здесь целинная почва неко-симой степи (разр. 36) сравнивалась с почвой смежного участка 75-летней пашни (разр. 37). Вследствие слабой окультуренности (возделывание зерновых без внесения удобрений) рассматриваемого чернозема за сравнительно короткий срок сельскохозяйственного использования содержание и запас минерального азота в метровом слое целины и пашни практически не изменились (0.26 и 0.24 т/га). Запас легкогидролизуемого азота в почве пашни был больше на 0.3 т/га, чем под целиной (увеличивался с 1.5 до 1.8 т/га). Количество трудно- и легкогидролизуемого азота проявляло слабовыраженную тенденцию уменьшения в пахотной почве.

Южные черноземы характеризуются сравнительно низкими запасами гумуса и азота из-за высокой минерализации органического вещества и менее выраженной его аккумуляции в профиле почвы. В целинном (разр. 10) и пахотном (разр. 9) южном глинистом черноземе Богучаровского района Воронежской области отмечалось очень низкое содержание минерального и

Таблица 3. Общее содержание и формы азота в черноземах ЦЧП (Шкон-де и др., 1974)

Глубина, см	Общий азот, %	Форма азота
		минеральный		легкогидролизуемый		трудногидролизуемый		негидролизуемый
		1	2	1	2	1	2	1	2
Разр. 26. Выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем, Орловская
		опытная станция, косимая залежь
0-20	0.37	14	0.4	305	8	639	17	2782	78
0-100	-	-	(0.1)*	-	(2.1)	-	(5.0)	-	(21.6)
		Разр. 24. Там же, старопашка
0-20	0.34	66	2.0	245	7	453	13	2637	78
0-100	-	-	(0.3)	-	(1.8)	-	(4.1)	-	(17.1)
Разр. 36. Типичный			тяжело суглинистый			чернозем Центрально-
Черноземный заповедник, некосимая степь, Курская область
0-20	0.37	39	1.1	307	8	735	19	2546	72
0-100	-	-	(0.26)	-	(1.5)	-	(4.1)	-	(16.4)
			Разр. 37. Там же, пашня
0-20	0.29	32	1.2	258	9	543	19	2011	71
0-100	-	-	(0.24)	-	(1.8)	-	(3.7)	-	(14.9)
Разр. 10. Южный глинистый чернозем, Воронежская область, Богучар-
			ский	район,целина
0-20	0.33	24	0.7	180	5	597	18	2511	76
0-100	-	-	(0.09)	-	(1.0)	-	(4.2)	-	(17.4)
			Разр. 9. Там же, пашня
0-20	0.29	24	0.9	177	6	735	26	1991	68
0-100	—	—	(0.15)	—	(1.1)	—	(4.1)	—	(16.1)

Примечание. 1 - мг/кг почвы; 2 - % от общего азота.

* В скобках дано содержание фракций азота в слое 0-100 см, т/га.

легкогидролизуемого азота при высоком уровне трудногидролизуемой фракции. В то же время при сельскохозяйственном использовании южного чернозема запас минерального азота в метровом слое увеличился в 1.5 раза (с 0.09 до 0.15 т/га). При этом запас негидролизуемого азота уменьшился (с 17.4 до 16.1 т/га), что особенно было заметно в верхнем слое (0-20 см).

Следовательно, азотный фонд зональных подтипов чернозема имеет свои особенности. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов.

Для изучения форм азота и их динамики в черноземах разного культурного состояния необходимо учитывать минеральный азот, который составляет от 1 до 8-9% от общего его содержания, и представлен нитратами, обменным и необменным аммонием. В целинных черноземах содержание минерального азота меньше, чем в пахотных. По профилю запасы минерального азота постепенно уменьшаются, а его доля по отношению к содержанию общего азота возрастает, особенно в оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземах. В обыкновенных и южных черноземах фракция минерального азота менее подвижна по почвенному профилю. В подпочве почти весь минеральный азот представлен фиксированным аммонием.

Запасы необменного (фиксированного) аммония в метровом слое черноземов колеблются от 1.2 до 2.8 т/га. Аммонийная форма имеет большое значение для круговорота азота в земледелии. Запасы обменного аммония в метровом слое черноземов могут достигать 0.1-0.4 т/га. В пределах метрового слоя содержание легкогидролизуемого и минерального азота остается довольно устойчивым, особенно в целинных черноземах.

Содержание нитратного азота может составить 1% и больше от общего количества. Содержание трудногидролизуемого азота (в основном диаминокислот) тесно связано с количеством общего азота в черноземах. Оно составляет обычно 12-28% от общего азота и возрастает до метровой глубины. В состав фракции трудногидролизуемого азота входит часть фиксированного аммония, который прежде входил в состав органических компонентов гумуса. В черноземах количество наиболее стойкой фракции негидро- лизуемого азота достигает 64-81% от общего. Эта категория сохраняет относительную устойчивость. Несмотря на огромные валовые запасы азота в черноземах, обычно 2/3-3/4 его количества, представлено весьма стойкими органическими соединениями в составе гумуса (гумины, битумы, меланины) и фиксированным аммонием (до 8-11% от общего азота).

Для изучения содержания форм азота и их динамики в черноземах разного культурного состояния от целинного до вовлеченного в интенсивное земледелие необходимо проводить раздельный учет нитратного и аммонийного азота в почве, а также разделение последнего на обменные и необменные формы. Определение этих форм азота будет более информативным для выявления (прослеживания) агроэволюции черноземов.

Важным аспектом исследования агроэволюции черноземов является изучение запасов и динамики лабильного органического вещества, источником которого могут быть корневые и пожнивные остатки, а также сидераты (Гребенников, 2012).

ВЫВОДЫ

Анализ собственных экспериментальных и литературных данных о современном состоянии черноземов в физико-географическом аспекте (в рамках типа - подтипа) позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Азотный фонд зональных подтипов черноземов имеет свои особенности и характеризуется большой устойчивостью во времени и пространстве. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов.

• 2.    При длительной распашке черноземов содержание отдельных категорий почвенного азота и соотношение между ними изменяется очень медленно по отношению к исходной целинной почве.

• 3.    Оценку валовых запасов гумуса и форм азота, а также сезонной динамики показателей плодородия (особенно мобильных форм гумуса и азота) следует рассматривать как обязательное условие при изучении степени агрогенной трансформации черноземов. Пахотный слой адаптируется к условиям, режимам и процес-

• сам агроэкосистем. Он фактически трансформируется в новый самостоятельный горизонт, не имеющий по своим процессам и свойствам аналогов в естественных почвах и может рассматриваться как результат нового этапа агроэволюции.