Научные основы почвенного плодородия и методы количественной оценки

Природа плодородия: от почвообразования к управлению урожаем

Плодородие — это ключевое свойство почвы, определяющее ее способность быть не просто субстратом, а средой обитания и главным посредником в обеспечении растений питанием, водой, воздухом, теплом и светом. В агрономической практике плодородие гарантирует возможность индустриального ведения производства и определяет устойчивость почвы к деградации. В отличие от материнской горной породы, почвенный покров обладает высокой динамичностью и четко реагирует на изменение условий. Именно хозяйственная деятельность человека оказывает наиболее сильное влияние на текущий уровень почвенного плодородия.

Представление о том, чем обусловлена продуктивность земель, развивалось параллельно с практическим земледелием. В древности урожайность связывали с наличием в почве «жира», «солей» или воды, а качественные различия почв учитывали при налогообложении и закреплении севооборотов. Практическое деление земель по уровню продуктивности применялось еще в древних цивилизациях:

• В Древнем Египте выделяли «пшеничные» (затопляемые), «водно-болотные» (для гидрофильных культур и пшеницы) и «степные» (не затопляемые Нилом) почвы, а также отдельно отмечали земли садов и виноградников.
• В Китае еще в IV в. до н.э. почвы разделяли по цвету на «белые», «синие» и «желтые», что соответствовало высокому, среднему и низкому уровню плодородия.

Современная наука рассматривает плодородие как результат естественного почвообразования и агротехнического воздействия. Продуктивность сельскохозяйственных культур оценивают по совокупности свойств почвы и фактической урожайности. В основе этого процесса лежит планетарный механизм захвата веществ живой материей, а главная задача агрономии — научно обоснованное повышение плодородия при пахотном использовании земель.

Количественная оценка и математические модели плодородия

Для практического планирования урожайности и применения удобрений используют два основных пути quantitative оценки плодородия почвы. Первый подход основан на использовании бонитировочных шкал, второй — на математическом моделировании связи между свойствами почвы и продуктивностью растений. Оба метода позволяют перевести качественные показатели почвенного покрова в конкретные расчетные величины.

Все принципы и методы, применяемые при региональных бонитировках почв, сводятся к двум направлениям:

• Оценка на основе количественного учета показателей свойств почвы, прямо коррелирующих с урожайностью.
• Составление бонитировочных шкал на основе данных урожайности с их привязкой к конкретным группам и разновидностям почв.

Второй путь установления связи урожая со свойствами почв основывается на использовании регрессионных моделей. В исследовательской и агрономической практике применяют две формы задания функции плодородия:

• Полиномиальная форма: y = a₀ + a₁x₁ + b₁x₁² + a₂x₂ + b₂x₂² + … + c₁x₁x₂
• Мультипликативная форма: y = a₀q₁(x₁)q₂(x₂)…q_n(x_n)

В приведенных уравнениях x₁…x_n обозначают факторы плодородия почвы, a₀, a₁, b₁, c₁ — эмпирические коэффициенты, а q₁…q_n — функции, определяющие влияние отдельных факторов на урожай.

Избирательность культур: почему не бывает абсолютно неплодородных почв

Понятие плодородия всегда конкретно и привязано к биологическим требованиям возделываемой культуры. Почва считается плодородной, если обеспечивает растения водой и питанием в оптимальном объеме. Недостаток или избыток любого фактора ограничивает урожайность или приводит к гибели посевов. Абсолютно неплодородных почв не существует — любой тип грунта обладает свойствами, благоприятными для определенных видов растений.

Экологические требования культур к физико-химическим свойствам, реакции среды (pH) и гранулометрическому составу существенно различаются. При подборе полей под севооборот необходимо учитывать приуроченность растений к почвенным условиям:

• Тяжелые структурные почвы оптимальны для зерновых культур.
• Легкие почвы предпочтительны для картофеля, бахчевых культур и черешни.
• Сероземы благоприятны для хлопчатника, но неплодородны для картофеля.
• Дерново-подзолистые почвы подходят для картофеля, но неблагоприятны для пшеницы.
• Кислые почвы необходимы для роста чая и люпина.
• Слабощелочные почвы оптимальны для люцерны.
• Солончаки пригодны для произрастания солянок, не способных расти в иных условиях.

Виды плодородия: от естественного потенциала к экономической отдаче

В агрономии различают естественное, искусственное и экономическое плодородие. Естественное (природное) плодородие формируется без участия человека под воздействием природных факторов почвообразования. Оно характерно для целинных земель и оценивается по годовому приросту естественной фитомассы. Например, природный потенциал черноземов существенно превосходит показатели дерново-подзолистых почв.

Искусственное плодородие формируется на обрабатываемых землях в результате хозяйственной деятельности человека. Его уровень определяется степенью механизации, доступностью технологий и способностью нейтрализовать неблагоприятные химические свойства почвы, создавая оптимальный водный и воздушный режимы. Основными приемами создания искусственного плодородия выступают:

• распашка и периодическая механическая обработка почвы;
• проведение мелиоративных работ;
• применение минеральных, органических и бактериальных удобрений.

Эффективное (экономическое) плодородие представляет собой фактическую реализацию природного и искусственного плодородия в производстве. При его оценке учитываются не только почвенные свойства, но и местоположение участка, логистика и специализация хозяйства. Богатые гумусом и элементами питания почвы при удаленном расположении могут уступать по экономической ценности более бедным, но удобно расположенным полям. Аналогично, узкоспециализированные почвы в зонах возделывания конкретных культур ценятся выше земель с лучшими общими характеристиками.

• Годовой прирост фитомассы на целине — от 10 до 300 ц/га сухого вещества
• Фитомасса культурных растений (Европейская часть РФ) — от 50 до 180 ц/га сухого вещества

Потенциальное плодородие – суммарное плодородие почвы, определяемое ее свойствами, как приобретенными в процессе почвообразования, так и созданными или измененными человеком. Слово потенциальное означает возможный, существующий в потенции, скрытый, не проявляющийся. Следовательно, если говорить о потенциальном плодородии, то под этим термином следует понимать возможное плодородие почвы, которое может проявиться при определенных экологических и технологических условиях. Благодаря этому виду плодородия имеется много примеров, когда урожайность ряда культур на дерново-подзолистых почвах уже может превосходить урожайность, получаемую на черноземах.

Эффективное плодородие – часть потенциального плодородия, которая реализуется в виде урожая растений при данных климатических (погодных) и технико-экономических (агротехнологических) условиях.

Оно зависит от степени мобилизации с помощью агротехнических приемов элементов потенциального плодородия и от эффективности дополнительно привнесенных факторов роста и развития растений. Эффективное плодородие – лабильный показатель. Оно может изменяться в зависимости от погодных условий, как в многолетнем цикле, так и в течение вегетационного периода растений.

Относительное плодородие – плодородие почвы в отношении к какой-то определенной группе или виду растений. Как было отмечено выше, плодородная для одних растений почва может быть бесплодной для других. Например, на кислых почвах нельзя надеяться на получение высоких урожаев пшеницы, в то время как биологические особенности овса и люпина позволяют высевать их на подобных участках; болотные почвы высокоплодородны к болотной растительности, но там практически не могут расти другие виды растений. Поэтому осуществляется агропроизводственная группировка почв, на основе которой и осуществляется структура посевных площадей и проектируются эколого-контурные севообороты. В этих севооборотах наиболее полно учитываются взаимосвязи и зависимости биологических особенностей и свойств почвы.

Экономическое плодородие – экономическая оценка почвы в связи с ее потенциальным плодородием и экономическими характеристиками земельного участка.

Оптимальный уровень плодородия той или иной почвы определяется таким сочетанием ее свойств и показателей, при котором могут быть наиболее полно использованы все жизненно важные для растений факторы и реализованы потенциальные возможности выращиваемых сельскохозяйственных культур.

К основным показателям плодородия почв относят:

1) агрохимические – гумус, рН водной и солевой суспензии, показатели почвенного поглощающего комплекса: сумма обменных оснований, гидролитическая кислотность, емкость обмена, степень насыщенности почв основаниями (S, Нг, Т, V), валовое содержание и формы соединений макро-, мезо- и микроэлементов, необходимых для питания растений;

2) агрофизические – гранулометрический состав, структурное состояние, плотность сложения и общая пористость почвы, ее водные, воздушные, тепловые свойства и режимы;

3) биологические – общее число микроорганизмов и их отдельных групп, ферментативная активность, аммонифицирующая и нитрифицирующая способность, интенсивность разложения целлюлозы в почве, "дыхание" почвы;

4) гидромелиоративные – уровень залегания грунтовых вод и их минерализация;

5) уровень урожайности сельскохозяйственных культур.