Почвенный модификатор «Humic land» в полевом эксперименте с песком, глиной и почвой

Гуминовые вещества (ГВ) представляют собой уникальные природные органические соединения, за сотни и тысячи лет сформировавшихся в биосфере (в почвах, торфах, каменном угле, донных отложениях, компостах, природных водах) в результате посмертных преобразований биомассы. Главнейшими и определяющими свойствами ГВ является их полидисперсность, нерегулярность строения и полифункциональность, за счет сочетания в молекулярной структуре гидрофобного высоко замещенного функциональными группами ароматического ядра и гидрофильной периферии, состоящей в основном из алифатических, олигосахаридных и олигопептидных фрагментов.

Промышленные гуматы, производимые сегодня различными промышленнокоммерческими организациями из природного сырья (угля, торфа, леонардита, донных отложений, органических отходов и др.), по данным многих исследований, могут действовать как эффективные почвенные мелиоранты и материалы для рекультивации деградированных и загрязненных почв, причем их влияние наиболее эффективно при неблагоприятных условиях окружающей среды.

Высокая положительная отзывчивость почв и растений на применение гуматов в полевых и лабораторных экспериментах обусловила большой интерес к производству коммерческих гуматов во всем мире. Положительный опыт применения гуматов в сельском хозяйстве, садоводстве и реме-диационных технологиях привел к тому, что многие промышленные компании стали производить разнообразные гуматы из органического сырья – главным образом из торфа, леонардита и бурого угля, а также из многотоннажных органических отходов, вермикомпостов, сапропеля и др. Обогащение их элементами питания, применение специальных добавок или особенных режимов производства привело к изобилию на рынке коммерческих гума-тов, предлагаемых в качестве органических удобрений, стимуляторов роста растений, мелиорантов для деградированных почв и сорбентов токсикантов.

Гумусовые кислоты почвы и другие продукты микробиологического разложения органических веществ в почвах представляют собой полимеры естественного происхождения, которые покрывают клейкой гелевой пленкой поверхности элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) и микроагрегатов и связывают их между собой, именно эти соединения образуют один из наиболее водоустойчивых видов связи между ЭПЧ. Эти пленки представляют собой сложные коллоидные системы – студни из молекул гуминовых кислот, армиро- ванных коллоидными частицами органической и неорганической природы [7]. Влияние гумусовых веществ на образование агрономически ценной структуры и улучшение физических свойств почв обусловлено характером их взаимодействия с минеральной частью почв и зависит в значительной степени как от минералогического и гранулометрического ее состава, так и от структуры и размеров молекул гумусовых веществ [1, 7]. Наиболее активно гумусовые кислоты взаимодействуют со слюдами, далее идут полевые шпаты и, наконец, кварц. В этом же ряду понижается прочность связи гумусовых кислот с поверхностями минералов. С агрегатным составом почвы тесно связаны структура ее порового пространства и распределение пор по размерам. В порах совершаются все физические и биологические процессы, в них находятся необходимые для нормальной жизнедеятельности растений и почвенной микробиоты запасы воды и почвенного воздуха. Агрегирование почв приводит к увеличению их порового пространства и улучшению структуры. Агрономически ценной считают такую структуру почвы, в которой механически прочные, водоустойчивые и пористые агрегаты представлены зернистыми и мелкокомковатыми отдельностями. Условно принято, что размер этих агрегатов колеблется от 10 мм до 0,25 мм. Однако, увеличение размера пор за счет агрегатов крупнее 5 мм не меняет значительно физические свойства почв, но характеризуют их значительно меньшей водопрочностью [8]. Поэтому к агрономически ценным относятся агрегаты размером от 5 до 0,25 мм. Они обусловливают наиболее равномерную упаковку при вспашке и созданию пахотного горизонта с оптимальной структурой порового пространства. Размещаясь в более крупных порах, гумусовые вещества имеют возможность взаимодействовать как с крупными ЭПЧ, так и с поверхностями входящих в эти поры доменов, способствуя образованию крупных микроагрегатов и даже макроагрегатов. Интенсивное сельскохозяйственное использование пахотных земель приводит к ускоренной потере органического вещества почвами и разрушению полимеров естественного происхождения, что приводит к понижению механической прочности и водоустойчивости агрегатов и как следствие к потере почвами плодородия.

Повышение агрономической ценности структуры почв, ее сохранение и улучшение, направлено прежде всего, на создание оптимального агрегатного состава, повышение механической прочности и водоустойчивости агрегатов. В последнее время интерес к проблеме создания в почвах оптимального агрегатного состава возрос в связи с развитием городского озеленения и использованием для этих целей территорий нарушенных градостроительством и промышленных зон. Был проведен целый ряд исследований по применению в качестве структурообразователей или «почвенных кондиционеров» [2-6, 11] синтетических полимеров с большими гибкими молекулами, оказывающими такое же действие на связывание ЭПЧ и микроагрегатов, на повышение устойчивости агрегатов к механическому и водному воздействию, как и органические полимеры естественного происхождения. В качестве таких полимеров для практического применения испытывались: полиакрилнитрил (ПАН), сополимер винилацетата и малеиновой кислоты (ВАМК), полиакриламид (ПАА), полиакриловая кислота (ПАК) с различными добавками и другие вещества [2, 7, 9, 10, 12]. С применением полимеров многие исследователи связывали большие надежды на быстрое улучшение структуры и физических свойств почв. На практике оказалось, что применение синтетических полимеров для создания почв с оптимальным агрегатным составом является экономически неоправданным приемом. Кроме того, использование этих синтетических веществ не всегда бывает безопасным и безвредным с экологической точки зрения.

Гумусовые препараты, разного вида гу-маты и гуминовые удобрения, получаемые промышленным путем из торфов, отходов каменноугольной промышленности и др. способствуют повышению агрономической ценности почвенной структуры, и являются более чистыми в экологическом отношении и наиболее приближенными по своему строению и свойствам к природным полимерам (типа гуминовых кислот).

Одним из новых направлений применения различных видов гуминовых препаратов является внесение их при изготовлении искусственных почво-грунтов с заданными физическими и агрохимическими свойствами, которые могут быть использованы в сельском хозяйстве, городском озеленении, тепличном хозяйстве и т.д.

В лаборатории гуминовых веществ и минеральных соединений кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ с 2000 года проводятся комплексные исследования состава и свойств, биохимической и физиологической активности гуминовых препаратов, производимых из различного сырья (сапропель, уголь, торф и др.). Одним из важнейших направлений исследований является оценка эффективности гу-матов как структура-образователей и ме- лиорантов при создании искусственных почв.

Объектом нашего исследования послужил комплекс гуминовых веществ «Humic Land», производимый компанией «Acoustic BioTechnologies LTD».

Цель исследования – проведение полевых испытаний гуминового удобрения (ГУ) «Humic Land» в качестве почвенных модификаторов при создании плодородных почвосмесей на основе грунтов легкого и тяжелого гранулометрического состава.

В ходе работы на территории почвенного стационара факультета почвоведения Московского Государственного Университета были заложены три серии полевых опытов (девять делянок S= 1 м2 – 0,5*2,0 м; h=0,35 м) с различными вариантами формирования плодородных почвосмесей.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рис. 1. Схема полевого опыта

В первой серии опытов верхним горизонтом, обрабатываемым ГУ «Humic Land», служил тяжелый суглинок (h=0,15 м), поднятый на поверхность почвы с глубины 2,5 м из горизонта В 1 . Во второй серии обрабатывали верхний нативный горизонт А пах дерновоподзолистой среднесуглинистой малогумусовой почвы, залегающей на территории почвенного стационара факультета почвоведения Московского Государственного Университета. В третьей серии опытов верхним горизонтом, обрабатываемым ГУ «Humic Land», служил песок (h=0,15 м), внесенный на поверхность опытных делянок. Состав и химические свойства верхних горизонтов в различных вариантах полевого опыта приведены в таблицах 2-4 в «Приложению к Отчету».

Химический состав ГУ «Humic Land» приведен в протоколе определения (см. «Приложение к Отчету»).

Варианты опытов :

• 1.    «Тяжелый суглинок, контроль» – на делянке посеяны семена тест-культуры. Обработка верхнего горизонта гуматом не проводилась. Минеральные удобрения не вносили;

• 2.    «Тяжелый суглинок, гумат» – комплексная обработка ГУ «Humic Land» почвы (доза – 300 л/га) семян и растений. Семена перед посевом были обработаны протравителем совместно с препаратом «Humic Land». Всходы и взрослые растения трижды обрабатывались рабочим раствором препарата «Humic Land»;

• 3.    «Тяжелый суглинок, NPK» – внесение NPK (комплексное минеральное удоб-

• рение «Нитрофоска» NPK 16:16:16) с концентрацией 50 кг/га (в пересчете на делянку – 5 г на 1 м2);

• 4.    «Почва, контроль» – на делянке посеяны семена тест-культуры. Обработка верхнего горизонта гуматом не проводилась. Минеральные удобрения не вносили;

• 5.    «Почва, гумат» – комплексная обработка ГУ «Humic Land» почвы (доза – 300 л/га) семян и растений. Семена перед посевом были обработаны протравителем совместно с препаратом «Humic Land». Всходы и взрослые растения трижды обрабатывались рабочим раствором препарата «Humic Land»;

• 6.    «Почва, NPK» – внесение NPK (комплексное минеральное удобрение «Нитрофоска» NPK 16:16:16) с концентрацией 50 кг/га (в пересчете на делянку – 5 г на 1 м ²);

• 7.    «Песок, контроль» – на делянке посеяны семена тест-культуры. Обработка верхнего горизонта гуматом не проводилась. Минеральные удобрения не вносили;

• 8.    «Песок, гумат» – комплексная обработка ГУ «Humic Land» почвы (доза – 300 л/га) семян и растений. Семена перед посевом были обработаны протравителем совместно с препаратом «Humic Land». Всходы и взрослые растения трижды обрабатывались рабочим раствором препарата «Humic Land»;

• 9.    «Песок, NPK» – внесение NPK (комплексное минеральное удобрение «Нитрофоска» NPK 16:16:16) с концентрацией 50 кг/га (в пересчете на делянку – 5 г на 1 м²).

Тест-культурой в экспериментах послужила пшеница яровая мягкая, сорт «Московская 39».

Ход работы. Закладку опыта проводили 4 июля 2022 г. Верхний горизонт почвы на опытных делянках был вскопан при помощи электро-культиватора Е-ВН-1400/43А на глубину 25 см. Почву на опытных делянках № 2, № 5 и № 8 обрабатывали рабочим раствором препарата ГУ «Humic Land» (30 мл/ 1л воды/ 1 м²). Поверхность почвы на делянках прикатывали и высевали семена пшеницы (по 560 зерновок на площадку или 5,6 млн шт/га).

В дальнейшем на опытных делянках № 2, № 5 и № 8 всходы и взрослые растения пшеницы дважды обрабатывали рабочими растворами препарата ГУ «Humic Land» (10 мл/ 1 л воды): 1-я обработка – обработка по всходам (3-4 листа; 19.07.22); 2-я обработка – фаза цветения/начало молочной спелости (19.08.2022).В ходе опыта проводили полив и прополку растений на опытных делянках.

Уборку урожая проводили 26 сентября 2022 г. Послеуборочное созревание семян проходило в течении 10 дней. Анализ качества семян был проведен в лабораториях факультета почвоведения и биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Эффективность действия ГУ «Humic Land» как почвенного модификатора оценивалось по нескольким критериям: изменение плодородия, химических свойств и гумусного состояния, структурных и гидрофизических свойств полученных почвосмесей.

Результаты и их обсуждение. Первый положительный эффект от применения препарата ГУ «Humic Land» можно было наблюдать уже на 9-й день после посева. На опытных делянках № 2, № 5 и № 8 из семян, обработанных препаратом, массово появились всходы. Разница с «контрольными» вариантами опыта (делянки № 1, 4 и 7) и вариантами с внесением минеральных удобрений (делянки № 3, 6 и 9) составила более сутки.

На 15-й и 45-й дни после посева листовая поверхность и стебли растений на опытных делянках № 2, № 5 и № 8 были обработаны рабочим раствором препарата ГУ «Humic Land».

В дальнейшем отмеченная выше тенденция – ускорение процессов роста и развития растений после обработки рабочими растворами ГУ «Humic Land» – сохранялась на всех стадиях вегетации (кущение, стеблевание, колошение, цветение и созревание семян).

Урожай пшеницы в контрольном варианте опыта (делянка № 1) на тяжелый суглинке составил – 13,8 ц/га. Комплексная обработка препаратом ГУ «Humic Land» почвы, семян и растений пшеницы (делянка № 3) дало прибавку урожая на

34,0% по сравнению с контролем. Такой же урожай был поручен в варианте опыта с внесением минеральных удобрений (делянка № 3) – 18,5 ц/га.

Урожай пшеницы в контрольном варианте опыта (делянка №4) на бедной дерново-подзолистой почве составил – 14,6 ц/га. Комплексная обработка препаратом ГУ

«Humic Land» почвы, семян и растений пшеницы (делянка № 5) дало прибавку урожая на 34,9% по сравнению с контролем – 19,7 ц/га. В варианте опыта с внесением минеральных удобрений (делянка № 6) был получен максимальный урожай для данной серии опытов – 20,2 ц/га.

Рис. 2. Урожай пшеницы в полевом опыте, ц/га

Урожай пшеницы в контрольном варианте опыта (делянка № 7) на песке составил всего 8,0 ц/га. Комплексная обработка препаратом ГУ «Humic Land» почвы, семян и растений пшеницы (делянка № 8) значительно увеличило прибавку урожая (почти в два раза – на 91,2%) по сравнению с контролем – 15,3 ц/га. В варианте опыта с внесением минеральных удобрений (делянка № 9) был собран урожай в 12,7 ц/га. Т.е. в данной серии опытов внесение минеральных удобрений дало меньшую прибавку урожая (на 58,7% по сравнению с контролем), чем комплексное воздействие ГУ «Humic Land» на «почву», семена и растения тест-культуры. Полученный результат, вероятно, обусловлен вымыванием питательных элементов летними и осенними осадками из корнеобитаемого горизонта в варианте опыта № 9. Напротив, в опыте с применением ГУ «Humic Land» формирование проагрегатов и агрегатов из исходного грунта (песка) позволило питательным элементам в составе гумата лучше закрепится на поверхности минеральной матрицы и обеспечить большую прибавку урожая на делянке № 8.

Результаты определения некоторых химических показателей почвы/грунта в верхних горизонтах опытных делянок до и после провидения полевого опыта (таблицы 2-4) свидетельствуют о том, что наиболее существенные изменения произошли с содержанием органического вещества (гумуса) в почве на опытных делянках № 2, 5 и 8, после внесения ГУ «Humic Land». Увеличение содержания гумуса составило:

для тяжелого суглинка – 20,8%; для почвы – 51,8%; для песка – 160%.

Столь значительное относительное увеличение содержания органического вещества (ОВ) обусловлено с одной стороны низкими абсолютными значениями содержания ОВ в исходных суглин-ке/почве/песке ( 0,24% /1,10% /0,05% ), с другой стороны – внесением ОВ в составе рабочих растворов ГУ «Humic Land».

Таблица 1. Свойства верхнего горизонта почвы вначале и в конце полевого опыта на опытных делянках:

- тяжелый суглинок – № 1, 2 и 3.

- д/п почва – № 4, 5 и 6.

- песок – № 7, 8 и 9

Показатель, единицы измерения	делянки
	1       \	2 \	3 \	4 \	5 \	6 \	7 \	8 \	9
начало опыта
рН вод	4,52	4,51	4,52	6,75	6,76	6,75	7,92	7,92	7,93
С орг , %	0.14	0.14	0.14	0,64	0,64	0,63	0,03	0,03	0,03
гумус, %	0,24	0,24	0,24	1,10	1,10	1,09	0,05	0,05	0,05
ЕКО, мг-экв / 100 г почвы	19,7	19,6	19,7	24,7	24,7	24,6	1,2	1,2	1,2
N общ , %	0.05	0.05	0.06	0,12	0,12	0,12	-	-	-
К 2 О, %	0,05	0,05	0,05	1,2	1,1	1,2	-	-	-
Р 2 О 5 , %	0,04	0,04	0,04	0,13	0,13	0,12	-	-	-
подвижные формы:
мг К 2 О / 100 г почвы	1,1	1,1	1,0	18,8	18,3	18,7	-	-	-
мг Р 2 О 5 / 100 г почвы	0,7	0,8	0,7	12,3	12,5	12,3	-	-	-
конец опыта
рН вод	4,54	4,61	4,53	6,76	6,82	6,73	7,9	7,73	7,90
С орг , %	0,13	0,17	0,15	0,65	0,97	0,68	0,04	0,08	0,04
гумус, %	0,22	0,29	0,25	1,12	1,67	1,17	0,07	0,13	0,07
ЕКО, мг-экв / 100 г почвы	19,8	24,9	20,2	24,6	37,8	25,0	1,6	2,9	1,6
N общ , %	0,04	0,08	0,06	0,12	0,19	0,16	0,01	0,03	0,04
К 2 О, %	0,05	0,07	0,07	1,2	1,4	1,4	-	0,01	0,04
Р 2 О 5 , %	0,02	0,04	0,05	0,13	0,21	0,19	0,01	0,03	0,03
подвижные формы:
мг К 2 О / 100 г почвы	0,8	1,2	1,9	18,8	25,8	25,2	-	-	-
мг Р 2 О 5 / 100 г почвы	0,7	0,8	1,1	12,3	20,1	18,3	-	-	-

Однако, простой расчет показывает, что только количество внесенного ОВ не могло столь существенно увеличить содержание гумуса в верхних горизонтах опытных делянок. Можно предположить, что все отмеченные изменения между вариантами опытов следует считать результатом не прямого, а опосредованного влияния гуминового препарата. Т.е. через создание оптимальных условий для роста и развития почвенной биоты и корневой системы тест-культуры. А, следовательно, и увеличения в почве общего количества метабо- литов, продуцируемых микроорганизмами и энзимов (корневых выделений) растений. Это, в свою очередь, ускоряет и усиливает процессы формирования так называемого «молодого гумуса», т.е. про-гуминовых и гуминовых соединений.

Среди других химических показателей следует отметить вполне закономерное увеличение ЕКО (емкости катионного обмена) на делянках, обработанных гуматом: для тяжелого суглинка – 25,7%; для почвы – 53,%; для песка – 81,3%. Это, очевидно, также связано с увеличением со- держания гумуса, а, следовательно, и увеличением обменных позиций в ППК (поч-венном-поглощающем комплексе).

Несколько удивительно выглядят низкие значения содержания NPK (как валовых, так и подвижных форм) на опытных делянках № 3, 6 и 9, т.е. там, где были внесены высокие дозы минеральных удобрений. Вероятно, данный факт можно объяснить вымыванием питательных элементов из корнеобитаемого горизонта в нижележащие горизонты почвы во время интенсивных осенних ливней.

Наиболее существенные изменения произошли с агрегатным составом почвосмесей, полученных после обработки различных вариантов почвы/грунта ГУ «Humic Land».

В составе почвосмесей кардинально по сравнению с исходным почвой/грунтом изменилось содержание агрономически ценных агрегатов (5-3 и 3-1 мм): доля их увеличилась: для тяжелого суглинка на 68,7%; для почвы – на 17,9%; для песка – на 45% от суммы фракций.

Крайне важно, что большая часть све-жесформованных агрегатов (а именно: для тяжелого суглинка – 63,9%; для почвы – 62,3%; для песка – на 40,8% от суммы фракций.) оказались устойчивыми и водопрочными . Об этом свидетельствуют результаты, представленные на рисунке 3 (водоустойчивость агрегатов по Савинову).

Мехсостав. Сухое просеивание.

Рис. 3. Агрегатный состав образцов с опытных делянок № 1-9

Таблица 2. Порозность образцов с опытных делянок № 1-9

Вариант опыта	Пористость, % от объема почвы
	общая	агрегатная	межагрегатная
1	44,7	31,0	13,7
2	51,3	36,8	14,5
3	44,8	31,2	13,6
4	51,3	36,8	14,5
5	66,1	47,5	18,6
6	51,0	36,6	14,4
7	30,1	20,0	10,1
8	40,5	29,1	11,4
9	30,0	20,1	9,9

Таблица 3. Плотность образцов с опытных делянок № 1-9

Вариант опыта	Кг*м-3*103
	Плотность твердой фазы	Плотность сложения
1	2,68	1,43
2	2,62	1,10
3	2,69	1,42
4	2,64	1,25
5	2,60	1,06
6	2,64	1,24
7	2,61	1,47
8	2,57	1,38
9	2,60	1,47

Таблица 4. К ф (водопроницаемость) образцов с опытных делянок № 1-9

Вариант опыта	Водопроницаемость, см / сутки
1	11,2
2	59,1
3	11,4
4	20,3
5	157,3
6	20,3
7	735
8	433
9	741

Данные таблиц № 2-4 свидетельствуют о том, что под действием ГУ «Humic Land» за время наблюдений произошло увеличение общей (для тяжелого суглинка – на 14,8%; для почвы – на 29,0%; для песка – на 34,6%), внутриагрегатной (для тяжелого суглинка – на 5,8%; для почвы – на 28,3%; для песка – на 2,9%) и межагрегатной (для тяжелого суглинка – на 18,7%; для почвы – на 29,1%; для песка – на 45,5%) пористости почвы; снижение плотности сложения (для тяжелого суглинка – на 2,2%; для почвы – на 1,5%; для песка – на 1,5%); увеличение скорости движения почвенной влаги для тяжелого суглинка (коэффициент фильтрации увеличился в 5,2 раза по сравнению с исходным грунтом) и почвы (коэффициент фильтрации увеличился в 7,8 раз по срав- нению с исходным грунтом), а для песка, напротив – уменьшение скорости движения почвенной влаги (от избыточно высокой Кф=741 см/сутки, до наилучшей (по Качинскому) Кф=433 см/сутки).

Выводы. Инновационная технология почвенного конструирования, разработанная в лаборатории химии гуминовых веществ и минеральных соединений кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ, позволяет производить искусственные почвенные смеси на основе комплекса гуминовых веществ «Humic Land», обладающие прогнозируемыми высокими показателями состава, свойств и функций (плодородие; оструктуренность; водновоздушный режим, комфортный для роста и развития растений и биоты; эрозионную устойчивость и др.).