4. Біохімічний механізм відтворення гумусу і саморегуляції ґрунтової родючості

Вважається, що Україна одержала в спадщину від Природи найбагатші в світі чорноземні ґрунти. Але протягом століть вони знецінювались, деградували під впливом дегуміфікації. Багатовікова дегуміфікація відбувалась під впливом часткового розмикання малого біологічного кругообігу речовин, тобто внаслідок порушення землеробського закону повернення: із ґрунту постійно виносились з урожаєм елементи живлення та органічна речовина, яка є джерелом енергії ґрунтоутворення. Зменшення обсягів її надходження у ґрунт гальмувало ґрунтотворний процес, що відновлює родючість. Це і є причиною того, що з 10-11% гумусу, які були в українських чорноземах до розорювання цілинних земель, нині залишилось 2,5-6%.

Вміст гумусу зменшується швидше, коли порушується співвідношення між нормами органічних і мінеральних добрив. Століттями в Україні у південній частині Лісостепу і північній — Степу існувала смуга середньо-гумусних чорноземів типових і звичайних. Нині вони перетворились на мало-гумусні, тому що різко зросли у свій час норми внесення мінеральних добрив і зменшилась кількість внесення органічних добрив.

Так, за 20 років (1958-1978 рр.) на пологих схилах шар ґрунту 0-20 см втратив 2,5% гумусу, шар 20-30 см – 1,8%, шар 30-40 см – 1,5%, шар 40-50 см – 1,9%, шар 50-60 см – 1,4%.

Наведені дані примусили замислитись над долею чорноземів і шукати шляхи призупинення катастрофічної дегуміфікації, насамперед розкриття біохімічного механізму відтворення гумусу та саморегуляції ґрунтової родючості. Були виявлені закономірності цього процесу у стаціонарному досліді Новоодеської держсортодільниці Миколаївської обл.

За 20 років досліду на обох варіантах обробітку ґрунту було внесено в середньому за рік: гною — 2 т/га; соломи озимої пшениці й стебел соняшника — 2,4 т/га; мінеральних добрив — 180 кг діючої речовини. Проте при однаковому внесенні добрив у варіанті з оранкою, коли органічні добрива заорювались у грунт на глибину 22—-27 см, отримане просте відтворення гумусу. При плоскорізному обробітку, де органічні добрива загортались у ґрунт важкою дисковою бороною на глибину до 8—10 см, відбувалось розширене відтворення гумусу.

Спостереження за вмістом гумусу протягом вегетаційного періоду в динаміці привело до відкриття річних циклів у вмісті гумусу в агроценозах. Річні цикли найбільш виявляються, коли верхній шар ґрунту не обертається під час його обробітку. Коли ж цей шар обертається при оранці і ґрунт знаходиться у неприродному, "шоковому", стані через загибель ґрунтової біоти (анаеробної — від кисню, аеробної — від його нестачі), щорічних циклів у вмісті гумусу немає або вони ледь помітні. Чим більші за діапазоном річні цикли у вмісті гумусу, тим вища здатність ґрунту до саморегуляції родючості.

Від весни до кінця літа (спадний цикл) значна частина гумусу (6-10 т/га) в орному шарі використовується для забезпечення життя рослин у період їх інтенсивного росту й розвитку. Під час пошуків того, за рахунок якої енергії замикається цикл восени і навесні, у ґрунті було виявлено АТФ — акумулятор біологічної енергії. При безполицевому обробітку його було на 25-200% більше, ніж при оранці. Це пов'язано з біологічною активністю ґрунтів, масою ґрунтової біоти, яка в шарі 0-15 см при безполицевому обробітку ґрунту може бути у 1,5-2 рази вище, ніж при оранці. Особливо велика різниця спостерігалась під час внесення органічних добрив або залишення на полі пожнивних решток.

Механізм використання АТФ для відтворення гумусу встановлений за допомогою радіоактивного ізотопу вуглецю ¹⁴С: у ґрунті відбувається асиміляція гетеротрофними мікробами вуглекислоти ґрунту і ґрунтового повітря з утворенням нової органічної речовини, в якій вміст білка становить 30-42, ліпідів — 1-5%. Джерелом енергії у процесі асиміляції є мертва органічна речовина (гній, солома, різні рослинні рештки). Після автолізу мікроорганізмів (розпаду оболонки) їхня протоплазма виходить у ґрунтовий розчин і взаємодіє з гумусовими речовинами ґрунту. У перші доби нова речовина переважала у фульворечовинах із співвідношенням до гуматів 4:1, через 30 діб ця речовина переважала у гуматах із зворотним відношенням — 1:4.

Явище асиміляції вуглекислоти ґрунту і ґрунтового повітря гетеротрофними мікроорганізмами та участь новоутвореної органічної речовини у відтворенні гумусу лежать в основі саморегуляції родючості ґрунту, яка є природним законом. Природа виробила цей закон, щоб забезпечити дію іншого землеробського закону оптимуму, максимально забезпечити рослини сприятливими умовами життя у певні фази їх розвитку.

Загальна схема механізму саморегуляції родючості ґрунту, в нашому розумінні, наведена на рисунку. З початком вегетації рослин вони через кореневі волоски виділяють у ґрунтовий розчин вугільну кислоту та інші органічні кислоти, що призводить до зниження рН на 0,6-1,2. За рахунок цього підкислення відбуваються кислотний гідроліз азотовмісних радикалів ланцюгів гумусових речовин і їх заміна на карбоксильні радикали. Відщеплені радикали — амінокислоти, аміни, аміди — виходять у ґрунтовий розчин. Вони є мономерними і вільно проходять через мембрани кореневих волосків, поглинаються рослинами і використовуються для формування врожаю.

Після закінчення вегетації рослини перестають виділяти у ґрунтовий розчин органічні кислоти і його рН відновлюється до початкового рівня. На відмерлих рослинних рештках поселяються гетеротрофні мікроби, які асимілюють вуглекислоту ґрунту та ґрунтового повітря і створюють нову високобілкову речовину. Після автолізу мікробів (відмирання) у ґрунтовий розчин виходить їхня протоплазма, що взаємодіє з гумусовими кислотами, амоніфікує їх, витісняючи карбоксильні радикали, і замінює їх на амінокислотні, амінні й амідні групи. Річний цикл саморегуляції родючості ґрунту завершується. Гумусові речовини набувають складу і структури, які вони мали навесні до початку вегетації.

Розкриті закономірності саморегуляції ґрунтової родючості дозволяють керувати ґрунтотворним процесом в агроценозах. На інтенсивність асиміляції вуглекислоти гетеротрофними мікробами впливають: кількість і якість органічної речовини (органічних добрив), глибина їх загортання у ґрунт (аеробіозис, анаеробіозис), реакція ґрунтового розчину, наявність дво- і трьохвалентних катіонів для незворотної коагуляції органічних колоїдів, зволоженість ґрунту, його температурний режим. Більшість цих чинників можна регулювати обробітком ґрунту, мульчуванням його пожнивними рештками, застосуванням органічних добрив та хімічних меліорантів.

Найбільше впливають на інтенсивність асиміляції вуглекислоти способи обробітку ґрунту. При ґрунтозахисних способах обробітку всі органічні добрива і пожнивні рештки загортаються у насичений киснем поверхневий шар ґрунту на глибину до 8-10 см. Для такого шару характерні найвищі коефіцієнти гуміфікації органічної речовини (майже на третину більші, ніж при заорюванні). Це дозволяє вийти на бездефіцитний баланс гумусу і на розширене його відтворення з меншими нормами органічних добрив.

Між гумусним станом ґрунту та його ґрунтовими режимами і властивостями існує тісний зв'язок. Крім річних циклів стану гумусу, для ґрунтів характерні річні цикли зміни властивостей ґрунтів. Гумусний стан є матрицею, яка продукує всі інші властивості. У зв'язку з цим за вмістом гумусу в ґрунті ми у першому наближенні можемо судити про рівень потенційної та ефективної родючості ґрунту. Якщо вміст гумусу з часом зменшується, землеробство працює на спадній родючості. Якщо вміст гумусу знаходиться на одному рівні, можна говорити про просте відтворення родючості ґрунту. Якщо вміст гумусу постійно зростає, то мова вже йде про розширене відтворення ґрунтової родючості.

Можливість керування ґрунтовим процесом доведена під час 8-річного стаціонарного досліду НАУ в КСП "Дніпро" Київської обл. Показано, що 12 т гною на 1 га сівозміни забезпечили бездефіцитний баланс гумусу. Одночасно при ґрунтозахисному обробітку внесення такої ж норми гною надало достовірний приріст у вмісті гумусу (+0,09%). Доповнення гною мінеральними добривами в нормі 235 кг/га діючої речовини NРК на оранці привело до тенденції підвищення вмісту гумусу у межах помилки досліду (+0,03%), на ґрунтозахисному обробітку — до приросту вмісту гумусу у 8 разів більшого, ніж на оранці (+0,24%). Подальше підвищення норми мінеральних добрив до 357 кг/га діючої речовини призвело до гальмування ґрунтотворного процесу та зменшення відтворення гумусу.

Внесення соломи озимої пшениці в нормі 2,4 т/га сівозміни з додаванням 10 кг діючої речовини азоту на 1 т соломи для компенсації азотної нестачі забезпечує на оранці таке ж відтворення гумусу, як і 12 т/га гною. Проте на ґрунтозахисному обробітку внесення такої ж норми соломи забезпечило відтворення гумусу в 17 разів більше, ніж на оранці (+0,17%), а додавання до соломи 235 кг діючої речовини мінеральних добрив на ґрунтозахисному обробітку збільшило накопичення гумусу в 11,3 рази (+0,34%).

Таким чином, встановлено, що 1 т соломи та інших пожнивних решток з додаванням N₁₀ для компенсації азотної нестачі за своєю дією та післядією на врожай і накопичення гумусу рівнозначна 5 т напівперепрілого гною.

Аналіз отриманих даних дозволяє дійти ще одного важливого висновку: при оранці розширене відтворення гумусу (родючості ґрунту) неможливе або є дуже важким (дорогим). Проте внесення таких самих норм добрив під час ґрунтозахисного обробітку забезпечило розширене відтворення гумусу і родючості ґрунту. В разі застосування досліду з комбінованим обробітком, коли під просапні культури орали, а під зернові застосовували ґрунтозахисний, обробіток, мав проміжні показники як у накопиченні гумусу в ґрунті, так і в рівні врожайності сільськогосподарських культур.