Плодородие без гумуса и удобрений

(Тарханов О.В., Плодородие без гумуса и удобрений// Химия и жизнь-ХХ1 век, №3, 2008 г.). Материал публикуется на TreeLand.ru с разрешения автора, контакты с автором - gelo-t@yandex.ru).

Давно известно: если на одном и том же месте много лет подряд выращивать сельскохозяйственные рас тения, урожаи снижаются. Почему это происходит и что нужно сделать, чтобы исправить ситуацию? Когда растениевод ство стали изучать, были предложены различные концепции, объясняющие при чины ухудшения почвенного плодородия. Две из них бурно соперничали между собой в первой половине XIX века, но, в конце концов, все же стали основой для альтернативных технологий, вошедших в арсенал современного земледельца. Это концепции гумусового и минерального пи тания растений. Называть их теориями нельзя при всем желании, потому что одна исключает другую и обе не описы вают должным образом природный ме ханизм питания растений. К сожалению, вытекающая из них практика столь убий ственна для агросферы, что назрела пора списать их в архив науки.

Гумусовая концепция возникла в конце XVIII века, в 1800 году ее сделал популяр ной немецкий агроном Альбрехт Тэер (1752–1828). И хотя позже эту концепцию жестко раскритиковал немецкий химик Юстус Либих, она в изменённом виде до жила до наших дней. Для того чтобы убе диться в этом, достаточно заглянуть в 3-е издание Большой советской энциклопе дии. "Гумус (от латинского humus – зем ля, почва) – перегной, органическая, обыч но темно окрашенная часть почвы, обра зующаяся в результате биохимического превращения растительных и животных остатков. В состав гумуса входят гуминовые кислоты (наиболее важные для пло дородия почв) и фульвокислоты (креновые кислоты), В гумусе содержатся основные элементы питания растений, которые под воздействием микроорганизмов становят ся доступными для растений» – такое оп ределение дает энциклопедия. Она же по ясняет: «Гуминовые кислоты содержатся в торфах (до 50 %), в землистых бурых уг лях (до 60 %), в плотных бурых и переход ных углях содержание их меньше, а в вы ветривающихся бурых и каменных углях колеблется от 0 до 100 % органической массы. В почвах максимальное количество гуминовой кислоты содержится в чернозёме (до 10 %). Гуминовые кислоты обра зуются при бактериальном разложении от мерших растительных остатков, а также при длительном воздействии кислорода атмосферы или пластовых вод на органи ческое вещество... Гуминовые кислоты – основная часть органического вещества почвы (гумуса), которая обусловливает ее плодородие».

Последнее утверждение в краткой форме выражает суть гумусной концеп ции. Из него следует: чем в почве боль ше гумуса, тем лучше для растений. Что и отмечали первые почвоведы, включая Тэера: на богатых этим веществом уча стках растительность развита лучше, чем на бедных. Это наблюдение и стало ос нованием для вывода: гумус составляет основу питания растений. Однако вни мательный читатель не может не отме тить, что в торфах, бурых углях и даже каменных углях на порядок больше гуминовых кислот, чем в чернозёме. При этом ни торфяники, ни почвы, покрывающие поверхностные залежи бурых и ка менных углей, не отличаются от черно зёмов более пышной растительностью, а скорее, наоборот.

Дело в том, что гумусовые вещества очень устойчивы к разложению микроба ми. Именно поэтому с течением времени они накапливаются в земной толще и при определенных условиях могут образовы вать залежи торфа либо углей. Основная масса гумуса не участвует в процессе роста растений. Следовательно, утверж дение энциклопедии о том, что «гумино вые кислоты – основная часть органичес кого вещества почвы (гумуса), которая обусловливает ее плодородие», – научно несостоятельно. Авторы этого утверждения пренебрегли гигантским количеством органического вещества, которое ежегод но участвует в циклических процессах: синтезируется растениями, затем с их отмершими остатками вновь попадает в почву и разлагается микроорганизмами. Именно эта органика и служит основой плодородия в отличие от гумуса – нич тожной ее части, практически минерали зованной. Одним из доказательств этого утверждения может служить хотя бы та кой факт: в почвах экваториальной зоны гумуса нет. Однако местные крестьяне без всяких искусственных удобрений снима ют по три урожая в год, а биомасса ле сов огромна.

Как же тогда объяснить, что на почвах с большим количеством гумуса расти тельность обычно богаче, чем на одно типных, находящихся в той же климати ческой зоне? Дело в том, что большее количество гумуса свидетельствует о бо лее длительных в масштабах геологичес кого времени процессах синтеза и мик робиологического разложения раститель ной биомассы. При этом биота дольше воздействовала и на материнские поро ды. В результате там сформировался другой почвенный поглощающий комп лекс (так называют совокупность нера створимых в воде минеральных, органи ческих и органо-минеральных соедине ний, образовавшихся при формировании почвы и частично унаследованных от материнской породы). Он успел развить ся от инертных форм с малой суммарной поверхностью и физико-химическим од нообразием входящих в него частиц до современных активных форм с большой суммарной поверхностью и разнообрази ем частиц. Именно поэтому почвы, в ко торых меньше гумуса, обычно менее пло дородны, чем однотипные, но богатые гумусом. Следовательно, не количество гумуса – показатель плодородия почв, а способность почвенного поглощающего комплекса взаимодействовать с поступавшим в почву органическим веществом. Это свойство я предложил называть ди намическим почвенным плодородием.

Почвоведы столкнулись и с таким при мечательным фактом: «Чернозёмы Укра ины с 4 – 6 % гумуса, казалось бы, долж ны были давать меньшие урожаи, чем черноземы лесостепи Поволжья с 10 – 15 % гумуса, а на деле получилось на оборот» (И.В. Иванов. История отече ственного почвоведения). Следователь но, при оценке плодородия необходимо учитывать количество света, тепла и вла ги, свойственные местному климату.

Теперь – экспериментальное доказа тельство ошибочности гумусовой кон цепции. Доктор биологических наук И. Ю. Мишина изучала, как наличие рас тительных остатков в почве влияет на рост и развитие ячменя. Если эти остат ки тщательно убирали, то урожай был значительно ниже, и этот эффект не уда валось устранить ни минеральными удобрениями, ни увеличением в почве умусовых веществ.

Об этих опытах писал доктор биологи ческих наук А.Д. Фокин в книге «Почва, биосфера и жизнь на Земле». Он же объяс нил, почему закрепилось ошибочное ут верждение о том, что гумус увеличивает плодородие почвы: «До сих пор существу ют весьма разноречивые взгляды на при роду и сущность процесса гумификации. Ощущается явный недостаток сведений о процессах взаимодействия минеральных соединений почвы, удобрений, токсикан тов с органическими соединениями почвы и т. д. Мы не можем подробно останавли ваться на причинах сложившейся ситуа ции. Укажем лишь на важнейшую, кото рая, по-видимому, состоит в том, что до сих пор представление о процессах в почве составлялось не путем изучения соб ственно процессов, а на основании ста тических данных о состоянии органичес кого вещества на начальных и конечных стадиях трансформации и взаимодействия веществ».

Гумусовую теорию питания растений заменила теория их воздушного и корне вого питания минеральными веществами, основанная на выдающихся открытиях физиологов растений от Д. Пристли, Н. Соссюра и Ж. Буссенго до К.А. Тимиря зева.

Однако известна также концепция ми нерального питания, которую связывают с именем немецкого химика Либиха. В 1840 году он выпустил книгу «Химия в приложении к земледелию и физиоло гии», где особое внимание обратил на азот, фосфор и калий. Ученый обнару жил эти элементы во всех растениях, понял, что они необходимы для нормаль ного роста, и предположил, что почва по степенно теряет их, поскольку часть этих элементов вывозится с урожаем. Либих решил, что плодородие падает именно из-за этого, и предложил восстанавли вать его, внося на поля искусственные минеральные удобрения.

При более тщательном рассмотрении можно увидеть, что это концепция не столько естественного питания, сколько искусственного минерального кормления растений. Приведем аналогию. Предста вим себе, что химический анализ кошек показал, они состоят из какого-то количества С, Н, О. N, Р, К и других элемен тов. С помощью дополнительных иссле дований установлено, что соединений этих веществ требуется 100 г в сутки, не считая воды. При этом точно известно, что введение отдельных веществ перорально или через вену положительно ска зывается на развитии кошек. Должна ли из этого следовать теория питания, при водящая на практике к кормлению животных смесями разных химических соеди нений? Ответ очевиден – животные пред почитают употреблять упомянутые эле менты не в виде искусственных смесей, а в продуктах животного и растительного происхождения, в которые эти элементы упакованы самой природой.

Подобным образом экспериментаторы поступали и с растениями. В почву (в других экспериментах в воду или про калённый песок) добавляли разные до бавки (соли калия, кальция, фосфора и других элементов) и смотрели, как те влияют на рост и развитие растения, на содержание в нем полезных веществ (например, белков и крахмала). Если эти показатели увеличивались в наибольшей степени, то считали, что подобраны оп тимальные дозы удобрений. При этом растениям повезло: процесс их питания в целом не нарушался, благодаря высадке в почву, а лишь изменял ся внесением в почву тех или иных веществ. Из всего этого следует, что теория мине рального питания растений построена на неверной методической базе.

Основу питания растений составляют конгломераты различных минеральных и органических веществ, которые готовят ся природой, в том числе и самим рас тением, в ризосфере (прикорневом слое почвы) и окружающей атмосфере. Здесь особо следует подчеркнуть, что веще ства, составляющие эти конгломераты (растворы веществ и смеси различных газов), в идеальном случае должны быть сбалансированы.

Растения непрерывно синтезируют вещества из поступающих в организм растворов, газовых смесей и энергии. Кухней первых двух потоков служит по чва, а поварами – микробы и само ра стение. Основным сырьём служит органичес кое вещество опада. Микроорганизмы используют органику для собственной жизнедеятельности, в ходе которой они, в частности, переводят минераль ные вещества почвы в растворимое, до ступное для растений состояние. И если им не хватает усваиваемой орга ники опада, они не могут выполнять эту важнейшую функцию. Точно так же и азотфиксирующим бактериям необхо димы органические вещества для ус воения азота.

Со всеми этими фактами не считается «теория» минерального питания. Поэто му она не более обоснованна, чем гуму совая. Обе они опираются на эклектич ные наблюдения и не подтверждаются всей совокупностью экспериментов, т.е. представляют собой лишь гипотезы. Именно поэтому они антагонистичны только внешне, совпадают по сути и в целом определяют пороч ное ведение мирового сельского хозяй ства. Результаты давно не устраивают пе редовых общественных деятелей и уче ных.

«Всего на земле, по экологическим оценкам, может использоваться под паш ню и сельское хозяйство около 2,8 млрд. га, используется в современном земле делии 1,5 млрд. га, остающиеся 1,3 млрд. га - это как раз трудно осваиваемые по чвы. За всю историю цивилизации чело век уже испортил около 2 млрд. га неког да пахотных почв, превратив их в антро погенные пустыни и «дурные земли». Еже годно из сельскохозяйственного исполь зования в мире выбывают 15 млн. га пло дородных почв, из которых половина при ходится на отчуждение под строитель ство, транспорт и другие нужды, а поло вина списывается из употребления в ре зультате опустынивания и деградации почв». (Г.В. Добровольский. Роль и значе ние почв в прошлом и будущем челове чества. Экология и почвы. Избранные лекции X Всероссийской школы, октябрь 2001 г. Т. IV. Пущино, 2001. С. 8.).

«3а последние 50 лет население Зем ли удвоилось (от 3 до 6 млрд.), а пло щадь зерновых на душу населения уменьшилась вдвое (от 0,25 до 0,10 га). Эти страшные цифры ставят жирный крест на наших надеждах компенсиро вать потери за счет освоения новых тер риторий. Нам надо научиться разумно использовать те ресурсы, то природное богатство, которое уже имеется в нашем распоряжении. А для этого надо в корне изменить наше отношение к почве, к оценке её роли в биосферных процес сах и системе жизнеобеспечения чело века как биологического вида» (А.С. Керженцев. Флуктуации, метаморфозы и эволюции почв. Там же, С. 19).

Этих фактов более чем достаточно для постановки вопроса о причинах столь тяжелого состояния агросферы.

Беда в том, что концепции гумусового и минерального питания одинаково от носятся к главному веществу почвенной «кухни» - органическому, еще не превратившемуся в гумус. Обе не считают его важным. А между тем это вещество каждый год в огромных масштабах вы возится с полей в виде урожая расте ний. 90 % этой массы используется для приготовления кормов, а 80 % переходит в навоз, то есть съедается, но не усваи вается животными. Было бы правильно возвращать это богатство на поля. Но в свежем навозе гумуса нет, что не устра ивает периодически «просыпающихся» сторонников гумусовой концепции пита нии растений. Присутствующие в навозе минеральные вещества (90 % от их содержания в урожае) могли бы устроить сторонников концепции минерального питания. Однако свежий навоз нельзя использовать, поскольку в нем находят ся яйца гельминтов, патогенная микро флора, избыток нитратного азота и семена сорняков Садоводы знают, что свежий навоз сжигает растения. К тому же навоз животноводческих комплексов содержит очень много воды, и его не вы годно вывозить более чем на три кило метра. Поэтому сторонники обеих анта гонистических концепций согласились с компостированием навоза, пренебрегая тем фактом, что уже через месяц в компостируемом навозе практически не остается благотвор ного органического вещества, то есть корма для почвенных бактерий. В резуль тате этого процесса в перепревающей навозной куче появляется гумус в коли честве не более 10 % от исходной орга ники, а от минеральных веществ оста ется не более половины. Первые агра рии радуются гумусу, вторые – мине ральным веществам, и все считают, что компостирование не приводит к умень шению питательной ценности навоза. Правда же заключается в том, что растениям не нужно первое, а второе в почвах и так есть в избытке.

Но даже полученный таким образом перегной никогда не использовался в сельском хозяйстве на всех полях. В луч шем случае он применялся на 5 % этих полей под характерным названием «пары». Именно это и определило дег радацию почвенного плодородия. В ре зультате человечество потеряло за не большой промежуток времени свыше одного миллиарда гектаров сельскохо зяйственных угодий. Как следствие вырубаются леса, усугубляется парниковый эффект.

Эту трагедию предвидел один из выдающихся советских ученых, академик АН СССР В.Р. Вильямс Он писал: «Ясен огромный вред агрохимического направле ния". В 1976 году на VIII Международном конгрессе по удобрениям в Москве от мечалось, что последствия использования минеральных удобрений носят «катастрофический характер для природы». Вот еще одно высказывание на эту тему: «По мнению многих ученых чрезмерная «загрузка» почвы веществами, созданны ми человеком без учета множества тон чайших и важных процессов, которые происходят в почве с помощью разнооб разных живых организмов, может приве сти к фатальным последствиям и дегра дации почвы, на создание которой при рода затратила десятки тысяч лет» (К.В. Ананичев. Проблемы окружающей среды, энергии и природных ресурсов: Между народный аспект. М.: Прогресс, 1975].

Обе концепции отражают две сторо ны одинаково потребительского отноше ния к ведению сельского хозяйства. Ущербность его – в пренебрежении органическим веществом, которое не должно гнить в навозных кучах и компостах, а должно работать на «кухне», где готовится пища для растений. Вот почему агросфера, производящая товары жизненной необходимости, оказалась в таком тяжелом состоянии. Это относится к сельскому хозяйству практически любой страны с развитыми растениевод ством и животноводством. Можно построить такую схему (рис. 1).

Рис.1. Схема современной агросферы

Из схемы следует, что современная агросфера – это разомкнутая система. Органическое вещество, накопленное в ней, не возвращается на поля, где рос урожай. Этим агроценоз отличается от естественных экосистем, где органика участвует в циклических процессах поч вообразования и воспроизводства рас тительности. Год за годом органическое и неорганическое вещество выводилось и выводится из круговорота, и это – главная причина деградации почвенного плодородия и сокращения в размерах сельскохозяйственных угодий. Агросфера находится в неустойчивом состоянии, что приведёт к такому же неустойчивому развитию человечества.

Первыми с этой проблемой столкну лись западные страны, где после работ Либиха почвенное плодородие пытались восстанавливать внесением минераль ных удобрений. Дозы увеличивались год от года, но это не помогло. Вместе с тем известно, что на одном гектаре сельскохозяйственных угодий в пахотном слое имеется от 70 до 100 т питательных веществ в пересчете на азот-фосфор-калий. Эти вещества находятся в почвен ном поглощающем комплексе. Следова тельно, внесение легко растворимых минеральных удобрений не только вредно, но и бессмысленно.

В 1987 году мы начали исследования в межведомственной лаборатории по технологии переработки органики Уфимского авиационного института. Мы поставили себе цель: изучив механизм взаимодействия почвы и растений, создать технологии, вовлекающие органические вещества урожая в круговорот в агроценозе. При этом опирались на труды выдающихся почвоведов и растениеводов К.А. Тимирязева. К.К. Гедройца, В.И. Вернадского, В.Р. Волобуева. А.Н Илялетдинова, А.Д. Фокина, И.Ю. Мишиной, А.С. Керженцева, М.М. Ландиной. Мы исходили из того, что для правильного взаимодействия растений и почвы крайне важна деятель ность многочисленных почвенных микроорганизмов. А их работа тем интенсивнее, чем больше органического вещества в почве в период, вегетации. Нам стало ясно, что нельзя перерабатывать отходы животноводческих комплексов, птицефабрик и очистных сооружений городов и предприятий биологическими метода ми. При такой переработке почти все органическое вещество теряется, превра щаясь в углекислый газ и воду, и проис ходит это за пределами поля. Кстати, компостирование растительных остатков в сельском хозяйстве (только в России более 300 млн. т) это мощный источ ник СО₂ , загрязняющего атмосферу.

А каким требованиям должны отвечать технологии переработки ресурсов органического происхождения? Мы выработали такие критерии. Они должны сохранять в конечном продукте изначальную питательную ценность свежей органики: обеспечивать глубокую дезинфекцию и дезодорацию; обеспечивать определённую влажность конечного продукта; уменьшать отрицательные свойства минеральных удобрений. Для внесения продукта в любые сроки и под любые культуры должна использоваться традиционная техника. Ну и, конечно, нельзя забывать о рентабельности производства.

Рассмотрев множество разработанных в мире технологий, мы убедились, что ни одна из них не годится для воспроиз водства почвенного плодородия. И нам пришлось создать свою (ее схема пред ставлена на рис. 2).

Рис.2. Принципиальная схема переработки навоза и помёта

1 – бункеры дозаторы, 2 – реактор, 3 – циклон, 4 – аппарат кипящего слоя

В 1995 году мы построили опытную установку, на которой произвели боль шую партию органо-минеральных удобрений (ОМУ) из различного сырья (свежего коровьего и свиного навоза, птичьего помета, осадков сточных вод). Это сырье и компоненты (минеральные и органические вещества, не вредящие биоте почвы) в реакторе образуют мно гофазную гомогенизированную среду, в которой происходит дезинфекция и дезодорация сырья. Одновременно об разуются трудно растворимые веще ства, которые служат кормом для бак терий. В аппарате кипящего слоя из сырого продукта удаляется влага, чем достигается консервация продукта, и на выходе получают сыпучий продукт. Принципиально, достижима производительность установки – от 1 до 40 тонн в час. Органо-минеральные удобрения готовы для внесения в почву традиционными средствами в любое удобное время, не слеживаются, не вызывают ожогов растений, медленно нитрифицируются, поэтому не могут вызвать отравления людей и животных нитратами, являются надежным кормом для биоты.

В 1990-1997 годах прошли испытания этих удобрений в различных климатических зонах и в разных севооборотах. Некоторые результаты представлены на диаграммах (рис. 3 – 5).

Рис.3. Результаты испытаний ОМУ (из навоза КРС) в колхозе им. Салавата Юлаева Ишимбайского района республики Башкортостан.

Рис.4. Результаты испытаний ОМУ (из навоза КРС) в колхозе им. Куйбышева

Илишевского района республики Башкортостан

Рис.5. Результаты испытаний ОМУ на яровой пшенице сорта Иргина при дозе внесения удобрений в 1,5 т /га, Пермская обл.

Рис. 6. Энергозатраты на производство 1 т продукта при стоимости реализации на мировом рынке 1 т алюминия - 1500 $ и 1 т сухого птичьего помета с листьями – 700 $.

На диаграммах видно, что органо-минеральные удобрения из вторичных ресурсов органического происхождения в целом лучше известных удобрений, то есть дают более высокую урожайность на единицу массы вносимого в почву продукта. Новые ОМУ эффективнее компоста не менее чем на два порядка. К тому же затраты энергии на производство новых удобрений существенно меньше (рис. 6).

Новая технология рекомендована к освоению в промышленных масштабах Всероссийской межведомственной комиссией по утилизации отходов животноводства, учеными советами различных институтов, президиумом Уфимского на учного центра РАН и ведущими институ тами РАН.

Проведенные исследования и испыта ния показывают, что при доведении но вой технологии получения ОМУ до серий ного производства можно не только предотвратить деградацию почв сельскохозяйственного назначения, но и возродить испорченные земли.

Оптимальная эколого-экономическая схема агроценоза представлена на рис. 7.

Рис.7. Эколого – экономически оптимальная схема агроценоза

При такой схеме почти все органическое вещество урожая возвращается на те поля, где оно образовалось. Это обеспечивает устойчивое развитие агросферы и человечества в целом.

Что еще можно почитать на эту тему

Иванов И. В. История отечественного почвоведения. М.: Наука, 2003. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. М.. Наука, 1974.

Фокин А.Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле, М.: Наука, 1986.

Петербургский А.В. Круговорот и баланс питательных веществ в земледелии. М.: Наука, 1979.

Тарханов О.В, Основы теории аграрного производства. Уфа: Системы и технологии.2008.