Черноземы послужили науке в качестве экспериментальной модели: именно при их изучении были сформулированы основные законы почвоведения. Не обошлось без накладок. Одна из них — уже упоминавшаяся гумусовая теория питания растений, предложенная немецким ученым Тэером. Если чернозем — самая плодородная и к тому же самая богатая гумусом почва, то ясно, что гумус «ответственен» за урожай, и плодородие почвы в первую очередь определяется гумусом. И хотя доказано, что можно получать необходимый урожай растений при отсутствии органического вещества, что минеральные удобрения обеспечивают самый высокий урожай, роль гумуса до сих пор остается загадочной. Если подойти строго, то минеральные удобрения не «опровергают» плодородия гумуса. Можно привести такой пример из физиологии растений. Известно, что на свету растения фотосинтезируют углеводы, в темноте фотосинтез не идет. Но если в темноте растение «кормить» углеводами (хотя бы вводя их в ткани инъекциями), то можно получить нормальное по массе и урожаю семян растение. Но отсюда еще не следует, что фотосинтез не нужен растению. Так может быть и в почве: вносятся минеральные соли — растения их используют, но это не значит, что гумус не нужен почве.
В оптимальные по увлажнению годы черноземы без всяких удобрений дают сорок — пятьдесят центнеров с гектара первоклассного зерна. При внесении минеральных удобрений нечерноземные почвы могут давать в среднем около сорока центнеров с гектара.
Многие авторы во многих работах пишут, что плодородие чуть ли не уникальное свойство почвы. Но это не совсем так. Плодородием, часто значительным, обладают лёссы, покровные суглинки, аллювиальные отложения (в долинах рек), сами реки, моря, озера — все эти природные тела способны «производить урожай растений» (такое определение плодородия распространено в большинстве работ почвоведов). Даже вывороченные на поверхность отвалы горных пород (при добыче угля и руды) обладают плодородием. В какой-то мере плодородие безгумусовых горных пород и водных растворов (хотя в последних всегда содержатся растворимые органические, даже гумусовые, вещества) совпадает с другим важным для нас фактом. Почвенный перегной (гумус) не первичный компонент почвы. В соответствии с концепцией Ломоносова — Докучаева он образуется при разложении растительных остатков. Сами растения должны были вырасти на безгумусовом субстрате (во всяком случае первое поколение живых организмов). Получается замкнутый круг: чернозем богат гумусом и поэтому плодороден, а много гумуса образовалось потому, что было много растительных остатков, пошедших на образование плодородного чернозема.
Ученые установили с помощью радиоуглеродного метода, что в нижней части гумусового слоя чернозема возраст гумуса исчисляется в пять-шесть тысяч лет. В верхней части гумусового горизонта гумус значительно моложе — ему тысяча лет, и, следовательно, гумусообразование шло и в течение последнего тысячелетия.
Вполне вероятно, что в черноземах образуются особые гумусовые соединения, наиболее благоприятные для растений. Но ведь сказать, что условия гумусообразования в черноземах самые благоприятные для формирования гумуса, — это не значит внести ясность в данный вопрос. Важно определить, какие условия наиболее благоприятны. Не меньше, чем процесс гумусообразования, исследователей интересует состав гумуса. Над его расшифровкой работало немало выдающихся почвоведов. И хотя сам гумус не без основания называли «крестом и стыдом химиков», количество серьезных работ, посвященных ему, огромно.
Но до сих пор нет точных знаний ни о механизме образования гумуса, ни о причинах его благотворного действия на почву и растения. Правда, есть опыты, показавшие, что внесение в почву гуминовых кислот (фракция почвенного гумуса, растворимая в щелочи и нерастворимая в кислотах) привело к увеличению урожая растений. Есть данные, что часть органических гумусовых полимеров может усваиваться растениями. Но и эти факты не дают полного объяснения роли гумуса в питании растений.
Мелиораторы иногда методом проб и ошибок подбирали для многих почв благоприятные режимы поливов и осушения и получали соответствующие прибавки урожаев. Агрономы-земледельцы умеют нужной обработкой почв создать благоприятные условия для получения высоких урожаев, хотя надо отметить, что споры о лучших способах получения урожая идут и поныне. Агрохимики почти для всех почв разработали системы удобрений, что опять-таки дает прибавку урожая, далеко превзошедшую мечту Свифта вырастить два колоса там. где раньше рос один. Средние урожаи под влиянием современной обработки почвы, мелиорации, внесения удобрений выросли с середины XIX века в три-четыре раза.
Успехи агрохимической науки в СССР нашли свое отражение в многотомной «Агрохимической характеристике почв», выходившей в течение 60—70-х годов.
Сейчас установлено, что гумус с лучшим соотношением составляющих его гуминовых и фульвокислот и в наибольшем своем количестве образуется в условиях наиболее продолжительного биологически активного периода. Продолжительность этого периода определяется количеством дней с температурой выше десяти градусов и с запасом влаги в почве, доступной для растений. В наилучшей степени эти условия на территории СССР соответствуют черноземным районам.
Таким образом, ясно, что накопление гумуса отражает характер природных условий, степень их благоприятствования растениям.
Можно сделать попытку оценить гумус в качестве источника питательных веществ. Ю. Либих первый оценил плодородие «химически», то есть как способность почв снабжать растения доступными питательными веществами. Он определил, сколько питательных веществ содержится в растениях, следовательно, сколько их потребляется из почвы. Получилось не так уж много. При средних урожаях сельскохозяйственных культур с одного гектара выносятся: девятнадцать — сорок килограммов азота, восемь — четырнадцать килограммов фосфора (рассчитанного на окись фосфора), двадцать два - сорок килограммов калия. В то же время в слое почвы в двадцать сантиметров на гектаре содержится три — одиннадцать тонн азота, двадцать — сорок тонн калия, четыреста килограммов фосфора. Правда, не все это количество веществ легкодоступно растениям. Часть их находится в нерастворимой форме. Но как раз соединения, связанные с гумусом, в частности азот, наименее доступны: они меньше растворимы, чем минеральные соединения азота.
В среднем в течение года исчезает из почвы шесть-семь центнеров гумуса в подзолистых почвах и до тонны в черноземах. Поскольку запасы гумуса на одном гектаре для слоя в двадцать сантиметров исчисляются для подзолистых почв в шестьдесят тонн, а для черноземов в сто тридцать — двести двадцать тонн, то, очевидно, имеющихся запасов гумуса в гектаре почвы, если он не будет восстанавливаться, хватит лишь на сто лет. Но так получается лишь на основании голого арифметического расчета. На самом деле все намного сложнее. Во-первых, гумус в почве непрерывно образуется вновь. Во-вторых, питательные вещества гумуса малоподвижны, и их освобождение не увеличивает заметно общего содержания доступных веществ в почве. В-третьих, урожай, например, на подзолистых почвах снижается уже через пять-шесть лет, если почва не удобряется, несмотря на то что содержание гумуса практически еще не изменилось. В-четвертых, хотя навоз увеличивает урожай растений, но даже тогда, когда его вносят в количестве двадцати тонн на гектар, он исчезает уже через три-четыре года. Даже пятнадцатилетнее внесение навоза не увеличивает или увеличивает очень незначительно содержание в почве гумуса.
Академик Д. Н. Прянишников на основании многолетнего анализа применения органических удобрений установил, что само органическое вещество навоза не увеличивает урожая. Увеличивают урожай азот, фосфор, калий, содержащиеся в органическом веществе. Мало того, внесение одних минеральных удобрений под сельскохозяйственные культуры может за несколько десятков лет увеличить содержание гумуса в почве. Это увеличение обязано лучшему развитию растений и их корней в почве. После уборки урожая растительные остатки разлагаются, превращаясь частично в гумус.
