Состав и структура почвы

5.3 Органическое вещество и структура почвы

Роль структуры в создании благоприятных для растения водного, воздушного и питательного режимов была установлена уже давно. Учеными было указано на значение в процессе структурообразования корневых систем растений, гумуса и тонкодисперсной (илистой) фракции почвы.

Проблема почвенной структуры привлекала внимание многих русских почвоведов и агрономов прошлого и текущего веков. По Вильямсу важнейшую роль в структурообразовании играют корневые системы растений, при давлении которых масса почвы дробится на мелкие комочки; приобретению почвенными комочками прочности способствуют гумусовые вещества - гуминовая и особенно ульминовая, образующиеся при отмирании корешков растений.

Установлен сложный механизм процесса структурообразования, на который оказывает влияние комплекс условий почвенной среды: механический и минералогический состав почвы, природа гумуса, характер взаимодействия между минеральной и органической частью почвы, условия увлажнения и механическое воздействие на почву.

Были выявлены различия в строении структурных агрегатов в почвах разных типов, зависящие как от природы гумуса, так и минеральной части почвы.

В черноземах при помощи гуматов кальция образуются первичные агрегаты (микроагрегаты), которые, будучи связаны интермицеллярными связями органического вещества с минералами типа монтмориллонита, формируют макроагрегаты. В подзолистых почвах и красноземах основными клеящими свойствами обладают соединения полутораокисей (преимущественно Fe₂O₃) c фульвокислотами. Что касается серых (и бурых) лесных почв, то они занимают промежуточное положение: при наличии форм связей гуминовых кислот с кальцием, в них имеются и связи фульвокислот с полуторными оксидами.

Когда главная роль в склеивании агрегата принадлежит фульвокислотам и их соединениям с полуторными оксидами, агрегаты, равномерно пропитанные органическими веществами, имеют слитой вид. Такой вид агрегатов характерен для красноземов и подзолистых почв. Для черноземов же и частично для серых лесных почв характерны пористые агрегаты, что объясняется узловым (неравномерным) распределением органического «клея» - гуминовых кислот, подвижность которых ограничена явлениями коагуляции при помощи кальция.

Гуминовые кислоты черноземов и темно-серых лесных почв мало подвижны и легко коагулируются (осаждаются) CaCl₂. Этими свойствами может быть объяснено «узловое» распределение органических веществ в агрегатах черноземов и серых лесных почв. В подзолистых почвах и красноземах в составе гумуса преобладают фульвокислоты и гуминовые кислоты, слабо коагулируемые CaCl₂; этим может быть объяснено равномерное пропитывание гумусовыми веществами агрегатов в этой группе почв.

Наряду с участием в образовании водопрочных агрегатов почвы гумусовых веществ нужно указать на важную роль в этом процессе ряда органических соединений индивидуальной природы, входящих в состав микробных тел и продуктов их метаболизма. Так, мицелий микроскопических грибов, оплетая почвенные частицы, препятствует их размыванию. Однако это явление имеет эфемерный характер и прекращается с исчезновением грибной микрофлоры. Лишь в тех случаях, когда мицелий плесневых грибов превращается в стойкие продукты гумификации, агрегаты водопрочной структуры сохраняются длительное время.

Высокий эффект в создании водопрочной структуры оказывают бактериальные слизи, в частности образуемые представителям Pseudomonas. Клеящая способность бактериальной слизи обязана наличию в ней полисахаридов и аминосахаров. Деятельность слизеобразующих микроорганизмов способствует противоэрозионной стойкости почвы.

Высокой водопрочностью обладают почвенные агрегаты, образующиеся в кишечнике многих беспозвоночных, особенно дождевых червей, где почвенные частицы подвергаются перетиранию и склеиванию слизистыми выделениями кишечника.

В качестве мероприятий для восстановления структуры почвы рекомендуются специальные приемы обработки почвы, на кислых почвах - известкование. Были предложены приемы искусственного создания структуры почвы путем использования отходов промышленности, обладающих свойствами гидрофильных коллоидов, а именно: целлюлозы (вискозы), гемицеллюлозы (ксилана), лигнина, а также торфяных гуминовых кислот. Для оструктуривания почвы применяют полимеры. Будучи гидрофильными коллоидами, эти вещества действуют подобно природным полиуронидам растительного происхождения, а также бактериальных слизей. Уроновые кислоты легко сорбируются глинистыми минералами и, тесно с ними переплетаясь, способствуют образованию структурных комочков почвы. Искусственное оструктуривание почвы применяется, в первую очередь, в целях борьбы с распылением почвы и развеиванием песков.

5.4 Органические вещества почвы как источник углекислоты для растений

Растения используют элементы углеродного, азотного и зольного питания в условиях биологического и геологического круговорота веществ. Аккумуляция элементов, рассеянных в атмосфере, гидросфере, земной коре, автотрофными и гетеротрофными организмами в формах живого вещества и высвобождение этих элементов как в жизненных процессах, так и после отмирания организма представляет собой грандиозный по масштабу и значимости биологический круговорот веществ.(В. Р. Вильямс). Поступление элементов питания из большого (геологического) в малый (биологический) круговорот и обратный возврат их не носит характера замкнутого цикла. После отмирания распад растительных и животных микроорганизмов происходит не полностью до конечных продуктов минерализации, а сопровождается новообразованием сложных веществ органической природы (торфов, ископаемых углей, сапропелей, нефти, гумусовых веществ почвы), обладающих большей устойчивостью к разложению, нежели исходные органические остатки.

Общий запас органического углерода этих образований, включая массу живых организмов и их мертвые остатки, определятся величиной 6 000 000 млрд. т. По имеющимся расчетам (Вернадский, 1992) на Земле содержатся огромнейшие запасы углекислот и углерода в неорганических и органических формах. Однако главным источником углекислоты, потребляемой растениями, является атмосфера. Если учесть, что сухопутные растения Земли в процессе фотосинтеза связывают за год около 20 млрд. т углерода (запас углерода в атмосфере 2100млрд. т), то общего содержания углекислоты атмосферы хватило бы лишь на несколько десятков лет. Но известно, что содержание CO₂ в атмосферном воздухе непрерывно пополняется. Важнейшим источником пополнения углекислоты в атмосфере является почва. Годовое количество образующейся в почве углекислоты соответствует годовой потребности надземного растительного мира Земли.

Казалось бы, что растения, располагая огромными ресурсами углекислоты в атмосфере, обеспеченны ею полностью. Однако имеются наблюдения, говорящие о том, что в периоды интенсивного роста, в часы фотосинтеза, растение может испытывать недостаток углекислоты.

Важнейшим приемом, обеспечивающим продуцирование углекислоты почвой, является пополнение в ней запасов свежих органических веществ при регулировании процессов разложения.

5.5 Органическое вещество почвы как источник элементов питания растений

В составе органической части почвы аккумулированы большие запасы питательных веществ; содержание важнейших элементов - азота и фосфора только в слое 0-20 см исчисляется тоннами на 1 га. В табл. 2 приведены данные, характеризующие содержание гумуса, азота, фосфора и органических форм серы в почвах. Химическая природа органических форм азота, фосфора, серы в почве. Основная часть азота в верхних слоях почвы представлена органическими формами. Однако в нижних горизонтах существенная доля представлена N-NH₄ , поглощенным кристаллической решеткой глинистых минералов. В почвах имеется некоторое количество свободных аминокислот, образующихся при распаде органических остатков и являющихся продуктами метаболизма микроорганизмов. Однако содержание этих кислот в почве не велико и выражается величинами в несколько единиц или десятков микрограмм на 1 кг почвы.

Значительное количество азота почвы можно перевести в раствор кислым гидролизом почвы, проводимым при помощи 6 н. HCl; в гидролизате обнаружено большое разнообразие аминокислот. Наиболее распространены аспарагиновая и глютаминовая кислоты, гликокол, лизин, пролин, глицин, треонин, серин, аланин, валин, гистидин, лейцин и изолейцин, тирозин и фенилаланин. Около 1/3 азота почвы не переходит в кислый гидролизат, эта часть представлена гетероциклическими формами или же соединениями азота, прочно связанными с минеральной частью почвы.

2. Запасы гумуса, азота, фосфора и органических форм серы в почвах (в м/га) (М.М. Кононова, 1963)

* В числителе - запасы гумуса, в знаменателе - запасы органического углерода

Содержание фосфора в органических формах составляет в пахотном слое подзолистых почв около 0,5 т/га. Природа фосфорорганических соединений почвы не совсем ясна. Наиболее распространенной формой P₂O₅ является фитин, представляющий собой продукт взаимодействия фосфорной кислоты с инозитом (шестиатомный циклический спирт) и солями кальция и магния. Фитин составляет 30-80% всего запаса органического вещества фосфора в почве. Примерно 10 % от общего запаса P₂O₅ в органических формах составляют нуклеиновые кислоты. В числе нуклеиновых кислот идентифицированы ДНК и РНК, очевидно микробного происхождения. Некоторые органические формы фосфора, особенно фитин, могут усваиваться растением либо непосредственно, либо после расщепления ферментами, содержащимися в корневых выделениях растений.

Мало известно относительно органических форм серы в почвах. Основным источником органических форм серы в почве являются остатки животных и растений, а также плазма микроорганизмов, в которых сера входит в состав различных соединений, в том числе белков и аминокислот.

Значительные потенциальные запасы азота и фосфора в почве постепенно минерализуются, переходя в усвояемые растением формы.

5.6 Физиологически активные вещества в составе органической части почвы

Установлено, что в составе органической части почвы имеются вещества, обладающие биотическими свойствами - это витамины, ауксины, антибиотики. Разнообразие витаминов особенно характерно для плодородных почв, где найдены витамины B₆, B₁₂, пантотеновая, фолиевая, никотиновая и парааминобензойная кислоты, рибофлавин, биотин и др. Главными продуцентами витаминов в почве являются микроорганизмы. Хотя растительный организм способен к самостоятельному синтезу витаминов, дополнительное снабжение может оказать существенное положительное влияние на растение.

К группе биотических веществ относят стимуляторы роста - ауксины. Они поступают в почву в составе растений и в виде продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Гетерауксин (продукт жизнедеятельности многих почвенных микроорганизмов, в частности азотобактера) стимулирует развитие корневых систем и надземных органов, ускоряет созревание плодов. Гиббереллины (обнаружены в составе продуктов жизнедеятельности актиномицетов и некоторых культур дрожжей) стимулируют рост и цветение, влияют на обмен веществ некоторых растений. Положительное влияние на растения витаминов и стимуляторов роста проявляется лишь при малых концентрациях. Свойствами биологических стимуляторов обладают некоторые органические низкомолекулярные кислоты - янтарная, коричная, фумаровая и прочие. Эти вещества в малых количествах оказывают положительное действие на энергию прорастания семян, на рост корней и надземных органов, на величину и качество урожая. Наряду с витаминами и стимуляторами роста в почве присутствуют продуцируемые микроорганизмами вещества со свойствами антибиотиков. К ним относятся: стрептомицин, пенициллин, ауреомицин, террамицин и другие, проявление активности которых зависит от свойств почвы и в том числе от природы гумуса.

Антимикробными свойствами обладают экстракты и соки некоторых растений, этой же категории относятся фитонциды - летучие антимикробные вещества. Следовательно, вещества со свойствами антибиотиков не только оказывают влияние на растение, но и могут влиять на состав микробных ценозов почвы.

Чрезвычайно важной является способность группы гумусовых веществ воздействовать на физиологические и биохимические процессы растений. Гуминовые кислоты регулируют окислительно-восстановительное состояние среды, в которой развиваются растения. При недостатке кислорода гуматы обеспечивают дыхание растения благодаря наличию оксихинонов, акцептирующих водород при окислении веществ в растительных тканях. Гуминовые кислоты, поступая в растение на ранних этапах его развития являются дополнительным источником полифенолов, служащих катализаторами дыхания. Многие исследователи обнаружили стимулирующее действие малых концентраций гуматов натрия на корнеобразование. Исследования Рипачека показали, что различные гумусовые вещества влияют на анатомическое строение растения, и, в частности ускоряют дифференциацию точки роста. А.А. Прозоровская установила, что в присутствии гуминовой кислоты происходит повышение проницаемости растительных мембран. Установлено, что под влиянием гумусовых веществ активизируется деятельность синтезирующих ферментов, что приводит к накоплению в растении растворимых углеводов. С этим связано повышение осмотического давления у растения, что способствует более высокой устойчивости его к завяданию в периоды воздушной засухи. Исследования Фляга говорят о том, что физиологическая активность гумусовых веществ обязана наличию в их молекулах полифенолов хинонов.

Из всего сказанного выше можно сделать вывод: малые дозы витаминов, ауксинов, антибиотиков и гумусовых веществ, способствуют повышению интенсивности дыхания, обмена веществ, роста растительного организма; следствием этого является более энергичное потребление растением питательных элементов из почвы и удобрений.

Малые дозы гумусовых веществ оказывают положительное влияние не только на высшие растения, но и на микроорганизмы.(Е.С. Кудрина, 1951)

Выводы

В написании данной работы использовались ряд учебных пособий, по которым можно сделать следующие выводы:

1. Взаимодействуя с минеральной частью почвы, гумусовые вещества и их производные участвуют в трансформации минералов. Разрушение их фульвокислотами сопровождается миграцией растворимых продуктов, что приводит к образованию элювиальных и иллювиальных горизонтов, в то время как гумусовый горизонт характеризуется малой мощностью. При преобладании гуминовых кислот в почвах формируется хорошо выраженный гумусовый горизонт, обладающий высоким уровнем плодородия. Одновременно в пределах каждого конкретного горизонта формируются такие свойства, как структура, влагоемкость, емкость поглощения, буферная способность и др.;

2. Гумус - основной источник энергии в самых разнообразных почвенных процессах. В гумусовой оболочке Земли его накапливается 5,33x 10 ¹⁹ кДж, а в целом в биомассе земли 6,15x10¹⁹ кДж (В.Д. Ковда);

3. Гумус является аккумулятором азота, в нем содержится 80-95% почвенного азота. Этот азот имеет особое значение в решении экологических и экономических задач;

4. Гумус - источник CO_2, который выделяется при его разложении и обогащает приземный слой воздуха, что повышает продуктивность фотосинтеза, и таких элементов питания растений, как P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы, которые накапливаются в составе гумуса в результате взаимодействия гумусовых кислот с минеральной частью почвы и освобождаются при его минерализации. Аккумуляция погребенных форм гумуса (торф, уголь) приводит к концентрации Cu, Ni, Co, Mo и других элементов;

5. Высокогумусовые почвы характеризуются высокой биологической активностью и оптимальным, экологически сбалансированным составом микробных ассоциаций;

6. Гумус - физиологически активное вещество. Продукты гумификации играют большую роль в регулировании состава природных вод, почвенного раствора, атмосферы, являются регуляторами и стимуляторами роста и развития растений;

7. Гумус выполняет санитарно- защитные функции. Благодаря высокой биологической активности он разрушает остатки пестицидов, других токсикантов и загрязнителей, снимает негативное влияние избыточных доз минеральных удобрений.

Библиографический список

1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. - 288 с.

2. Вильямс В.Р. Почвоведение. Земледелие с основами почвоведения. - М.: 1949.

3. Ганжара Н.Ф. Почвоведение. - М.: Агроконсалт, 2001. - 392 с.

4. Гришина Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. - М: МГУ, 1986.

5. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. - М, 1963.

6. Муха В.Д. Агропочвоведение / В.Д. Муха, Н.И. Картамышев, Д.В. Муха. - М.: КолосС, 2003. - 528 с.

7. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. - Л.: Наука, 1980.

8. Тюрин И.В. Органическое вещество почвы и его роль в плодородии. - М.: Наука, 1965.

Размещено на Allbest