Состав и структура почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состав и структура почвы

Содержание

почва гумусовое органическое

Введениe

1. Природа органического вещества почвы

1.1 Органические вещества почвы индивидуальной природы

1.2 Гумусовые вещества почвы

2. Источники органического вещества почвы

2.1 Биомасса растительного, микробного и животного происхождения, поступающая в почву

2.2 Химический состав органических остатков

3. Процессы превращения органических остатков в почве

3.1 Общая схема процессов трансформации

3.2 Процессы разложения-минерализации органических остатков в почве

3.3 Процессы гумификации органических остатков

4. Условия накопления органического вещества в почвах

5. Роль органического вещества в образовании почвы и создании ее плодородия

5.1 Участие органических веществ в процессе выветривания и начальных стадиях почвообразования

5.2 Роль органического вещества в формировании почвенного профиля; формы связи органических веществ с минеральной частью почвы

5.3 Органическое вещество и структура почвы

5.4 Органическое вещество почвы как источник углекислоты для растений

5.5 Органическое вещество почвы как источник элементов питания для растений

5.6 Физиологически активные вещества в составе органической части почвы

Выводы

Библиографический список

1. Природа органического вещества почвы

Органическая часть почвы представляет собой сложную систему разнообразных веществ, все разнообразие которых можно систематизировать в две основные группы:

1. Органические вещества почвы индивидуальной природы:

свежие, неразложившиеся вещества растительного и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву в виде наземного и корневого опада растений, остатков животного происхождения, в том числе микроорганизмов, состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.); детрит - промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы.

В сумме органические соединения индивидуальной природы составляют в минеральных почвах примерно 10-15 % от общего запаса органических веществ.

2. Гумусовые вещества специфической природы: гуминовые кислоты,

фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы. Эта группа веществ составляет в минеральных почвах до 85-90% от общего запаса гумуса.

Главная доля в органической части почвы представлена собственно гумусовыми веществами, образование которых осуществляется в процессах сложных превращений исходных растительных и животных остатков.

Система органических веществ почвы представлена на рис.1



Рис. 1. Система органических веществ почвы (Орлов Д. С., 1996).

1.1 Органические вещества почвы индивидуальной природы

Из почвы было выделено и идентифицировано несколько десятков органических соединений. Они представлены различными группами углеводородов, жиров, органических кислот, углеводов, фосфоро- и азотсодержащих производных. Список органических веществ почвы индивидуальной природы включает следующие соединения:

1. Углеводы: пентозы, пентозаны, гексозы, целлюлоза и начальные продукты ее расщепления;

2. Углеводороды: парафин;

3. Органические кислоты жирного ряда и их эфиры: щавелевая, янтарная, сахарная, кротоновая, лигноцериновая, монооксистеариновая, диоксистеариновая, акриловая, бензойная кислоты;

4. Спирты: маннит;

5. Эфиры: глицериды капроновой и олеиновой кислот;

6. Альдегиды: салициловый альдегид, ванилин;

7. Смолы: смоляне кислоты и их производные;

8. Азотсодержащие соединения: триметиламин, холин, гистидин, аргинин, лизин, цитозин, гипоксантин, ксантин, креатинин, производные пиридина, ряд моноаминокислот (лейцин и изолейцин, валин, аланин, аспарагиновая).

Разнообразие представителей группы органических соединений индивидуальной природы подкрепляло распространенное в начале XX в. взгляды многих исследователей, рассматривавших гумус почвы как смесь этих соединений. В дальнейшем исследователи переключились на изучение собственно гумусовых веществ; интерес к группе органических соединений индивидуальной природы упал, чему способствовали также далеко не полные представления о роли их в почве - вещества этой группы рассматривались лишь как источник элементов питания растений (азота, фосфора, серы и др.) и как источник углекислоты почвенного воздуха.

Существенным затруднением в изучении органических соединений индивидуальной природы являлось то, что они присутствуют в почве в малых количествах.

Однако в настоящее время вновь отмечается интерес к изучению органических веществ почвы индивидуальной природы; этому способствует применение новых методов исследования, позволяющих обнаруживать и идентифицировать вещества в малых количествах, а также новые факты, говорящие о разнообразных функциях представителей этой группы.

1.2 Собственно гумусовые вещества почвы

Комплекс органических соединений коричневого, бурого и желтого цвета, выделяемых из почвы растворами щелочей, нейтральных солей или органическими растворителями, носит название гумусовых веществ.

Гумусовые вещества - система высокомолекулярных азотсодержащих соединений циклического строения и кислотной природы. Это предопределяет их взаимодействие с минеральной частью почвы и возможность прочного закрепления в ней. Гумусовые вещества гетерогенны по составу т.е. содержат различные по стадии гумификации компоненты, поэтому их можно разделить на фракции с однородным типом строения, но с различающейся по составу, размеру частиц, степени подвижности и роли в почвообразовании. В основу классификации гумусовых веществ положены отношение к растворителям и экстрагируемость. Среди гумусовых веществ выделяют три главные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины (негидролизуемый остаток).

Гуминовые кислоты

Имеют темно-коричневый или черный цвет. Слаборастворимы в воде, нерастворимы в минеральных и органических кислотах, хорошо растворяются в щелочах. Из щелочных растворов хорошо осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух- и трехвалентными катионами.

Содержание углерода в гуминовых кислотах 52-58 %, водорода 3,3-4,8%, азота 3,6-4,1 и кислорода 34-39 %. Молекулярная масса может достигать десятков и сотен тысяч единиц. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы.

В группе гуминовых кислот выделяют бурые (ульминовые) гуминовые кислоты, находящиеся в почве преимущественно в свободном состоянии, и черные, которые образуют соли с кальцием и магнием.

Гуминовые кислоты в свободном виде представляют собой черный блестящий порошок игольчатого или зернистого строения. При обработке водой они дают слабые коллоидные растворы буроватого цвета. Со щелочными катионами - натрием, калием, аммонием, литием гуминовые кислот дают соли, малорастворимые в воде с образованием молекулярных растворов - в тонком слое прозрачны, бурого цвета, в тостом непрозрачны и черного цвета. С двухвалентными катионами кальция, бария, магния и другими, а также с трехвалентными катионами железа и алюминия гуминовые кислот дают соли, нерастворимые в воде.

Фульвокислоты

Хорошо растворимы в воде, минеральных кислотах и щелочах с образованием растворов соломенно-желтого и оранжевого цвета.

Относятся к группе оксикарбоновых кислот, содержат азот 2,4%, углерод 45,3 % , водород 5%, кислород 47,3%. Содержание углерода и азота в фульвокислотах значительно ниже, а кислорода значительно выше, чем в гуминовых кислотах. Имеют более низкую молекулярную массу.

Водные растворы фульвокислот обладают очень кислой реакцией (pH 2,6 -2,8). Обладают большой подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части почвы - способны разрушать минералы, образовывать комплексные и внутрикомплексные соединения с гидроксидами. Играют существенную роль в подзолообразовании. Свободные фульвокислоты имеют коллоидный характер. Соли фульвокислот со щелочными и щелочноземельными металлами растворимы в воде. С алюминием и железом фульвокислоты дают соединения, нерастворимые в воде при нейтральной реакции, но растворяющиеся при кислой или щелочной реакции раствора.

Гумины(негидролизуемый остаток)

Самая инертная часть почвенного гумуса, не переходит в раствор при обычных методах воздействия (слабые растворы углекислых или едких щелочей). Нерастворимый остаток, представляющий собой совокупность гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также полугумифицированные остатки лигнина, целлюлозы, смол, восков и других соединений.

2. Источники органической части почвы

Источники органической части почвы - органические остатки, поступающие в нее. В целинных почвах это растительные остатки, отмирающие микроорганизмы и почвенная фауна, являющаяся как исходным материалом для образования гумуса, так и возбудителем самого процесса гумусообразования. В пахотных почвах существенное значение в качестве источника гумуса имеют органические удобрения.

2.1 Биомасса растительного, микробного и животного происхождения, поступающая в почву

Как показывают данные Александровой Л.Н. (таблица 1), наибольшую биомассу и годичный прирост в наземных биоценозах имеют зеленые растения (автотрофы), способные синтезировать органические вещества из минеральных соединений. Биомасса почвенных микроорганизмов и представителей животного мира в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз уступает биомассе зеленых растений. Новых запасов органического вещества они не вносят, а перерабатывают растительные остатки, образуя вторичные формы органических веществ почвы.

По данным таблицы 1, максимальная общая биомасса характерна для лесной растительности; под хвойными и лиственными лесами умеренных широт она колеблется от 100 до 400 т сухого вещества на 1 га, но основная часть этой биомассы многолетняя, и в почву ежегодно поступает 3,5 - 9,0 т сухого вещества в виде наземного опада, образующего подстилку, которая является основным источником гумуса в лесных почвах. Общий запас подстилки колеблется в широком диапазоне в зависимости от состава, возраста и густоты насаждений, а также от условий минерализации ежегодного опада. В среднем общий запас подстилки колеблется от 15 до 45 т сухого вещества на 1 га. Он минимален в широколиственных лесах, ибо условия минерализации подстилки наиболее благоприятны.

1. Биомасса растительности в различных природных зонах, ц/га сухого вещества (Л.Н. Александрова, 1980).

Природная зона	Биомасса	Ежегод-ный прирост	Ежегодный опад	Запасы органических остатков в подстилке и степном войлоке
	общая	корни
Тундра - арктическая - кустарниковая	<50 280	<35 2	<10 24	<10 9	<35 835
Ельники тайги - северной - центральной - южной	1000 2600 3300	220 600 735	45 70 85	35 50 55	300 450 350
Сосняки южной тайги	2800	636	61	47	448
Леса - березняки - буковые - дубовые	2200 3700 4000	505 950 960	120 130 90	70 90 65	300 150 150
Болота сфагновые	370	40	34	25	>1000
Степи - луговые - сухие	250 100	205 85	112 42	122 42	62 15
Пустыни - полукустарниковые - эфемерно полукустарниковые - субтропические	43 125 60	38 104 35	12 95 25	12 94 24	____
Саванна - смешанная - сухая	666 268	39 113	(120)	(115)	13
Леса - субтропические лиственные - тропические дождевые	4100 > 5000	820 900	245 325	210 250	100 20

Общая масса корней в лесах таежно-лесной зоны в среднем составляет 25 % наземной биомассы, корни в основном многолетние и обычно не рассматриваются как главный источник гумуса в лесных почвах. Некоторая часть корней представлена тонкими, ежегодно отмирающими волосками, равная приблизительно 30% общей массы корней, и исчисляется величинами порядка 3-5 т сухого вещества на 1 га, приближаясь к количеству корней под многими культурными растениями. В лесах влажных субтропиков и тропиков общая биомасса резко возрастает, достигая 400-500 т и более на га, а количество подстилки уменьшается, составляя 2-10 т, вследствие интенсивной минерализации опада. Природная травянистая растительность образует значительно меньшую общую биомассу, но она всегда однолетняя, и вся неотчуждаемая человеком часть ее полностью участвует в ежегодном цикле почвообразовательного процесса, в том числе и в гумусообразовании. Общая биомасса степной травянистой растительности колеблется от 10 т до 25 т сухого вещества на 1 га, а луговая травянистая растительность суходольных лугов, хвойных и смешанных лесов таежной зоны не превышает 10-13 т. Характерная особенность травянистой растительности - ежегодное отмирание не только надземной, но и корневой системы, оставляющей обычно в этих зонах не менее половины всей биомассы. Их количество и глубина проникновения очень разные. Общая биомасса корней под природной луговой и степной растительностью составляет в среднем от 8,5 до 20,5 т сухого вещества на 1 га. Масса корней в метровой толщине черноземов и темно-каштановых почв достигает 30 т сухого вещества а 1 га. В толще почвы она образует очень густую сетку, пронизывая весь почвенный профиль. Ежегодно отмирая, корни доставляют материал для гумусообразования практически во все участки почвенной толщи, в результате чего образуется однородный по степени гумусированности гумусово-аккумулятивный горизонт. В области пустынь общая биомасса растений снижается до 4-6 т сухого вещества на га и лишь в эфемерно-кустарниковых полупустынях равна в среднем 12,5 т. Корни здесь, глубоко проникая в почву, образуют биомассу, почти равную наземной части растений. Специфична болотная растительность, которая при общей средней биомассе живых растений, составляющей лишь десятки тонн сухого вещества на 1 га, и относительно невысоком ежегодном приросте ее образует огромные запасы органических остатков («очес») вследствие длительной консервации значительной части ежегодного прироста.

Наименьшую биомассу для гумусообразования дают культурные растения, наземная часть которых почти полностью отчуждается человеком. Несмотря на колеблющиеся урожаи культур в зависимости от их вида, условий агротехники и природных условий, пожнивные и корневые остатки для зерновых, картофеля и овощей дают не более 50% наземной массы, что при средних урожаях составляет от 2 до 5-7 т сухого вещества на 1 га. Исключением являются многолетние травы, под которыми в почве образуется значительное количество исходного для гумусообразования материала в виде поукосных и особенно корневых остатков. В зависимости от урожая он колеблется от 7-10 до 15-25 т сухого вещества на 1 га.

Значительно сложнее решить вопрос о биомассе микроорганизмов как гумусообразователей. Численность микроорганизмов чрезвычайно изменчива и зависит от многих факторов: типа почвы, характера растительности, гидротермического режима; поэтому в годичном цикле почвообразования наблюдается резко выраженная пульсация их количества. Эти колебания максимальны в северных районах и минимальны в средних широтах. По мнению И.В. Тюрина масса сухого вещества микроорганизмов в годичном цикле почвообразования не превышает 1т/га; в почвах, бедных гумусом, биомасса сухого вещества микроорганизмов колеблется около 1-2 % от общего запаса гумуса; в почвах, содержащих значительное количество гумуса, она составляет лишь десятые доли процента. Ученые отмечают трудность подсчета количества микроорганизмов в почве и в качестве ориентировочных данных называют величины порядка 7-10 т на 1 га бактериальной массы, что при среднем содержании воды около 70-80 % также составит не более 2 т сухого вещества на 1 га.

Количество органических остатков почвенной фауны (фитофаги, сапрофаги, некрофаги, крупные животные-хищники), по данным В.А. Ковды, может достигать 1,0-1,5 т сухого вещества на 1 га. Все подсчеты биомассы почвенной фауны и оценка ее значения как материала для гумусообразования очень условны вследствие не только неточности методов подсчета в определении массы, но и сложности взаимоотношений между микроорганизмами и почвенной фауной. Как указывает Т. В. Аристовская, значительная часть биомассы микроорганизмов и представители мезофауны уничтожается почвенной фауной.

Основным источником гумуса в почвах являются, конечно, растительные остатки, масса которых во много раз превышает массу всех вторичных форм организмов в почве.

2.2 Химический состав органических остатков

Химический состав органических остатков очень разнообразен. Большую часть их массы составляет вода, содержание которой минимально в древесине, грубых одревесневших корнях и отмирающих стеблях. Основная масса сухого органического вещества состоит из белков, углеводов, лигнина, липидов и липопротеидов, дубильных веществ, смол, восков, а также многих других органических соединений (органические кислоты, глюкозы, алкалоиды, витамины, стимуляторы роста и др.).

Соотношение между различными группами органических соединений, образующих биомассу растительных, микробных и животных остатков варьирует, что предопределяет различную скорость их трансформации в почве. Основная масса сухого вещества растительных остатков состоит из углеводов и лигнина, которые образуют клеточные стенки растения. Особенно богаты ими остатки древесины и корни, относительно медленно поэтому разлагающиеся в почве. Листья древесной растительности богаты дубильными веществами, в хвое много восков и смол, также тормозящих процессы разложения. Очень специфичен вещественный состав мхов, масса которых состоит в основном из углеводов, среди которых преобладают камеди, пектиновые вещества и полиурониды. Азотсодержащие компоненты представлены белками, количество которых максимально в остатках бобовых трав, а также сложной системой нуклеидов и полинуклеидов (в том числе РНК и ДНК). Их масса в составе поступающих растительных остатков невелика.

Остатки микроорганизмов резко отличаются по составу органических веществ от остатков растительного происхождения. В составе сухого вещества резко доминируют белки и нуклеиновые кислоты, отсутствует лигнин, что обуславливает наиболее интенсивную трансформацию этих остатков в почве. Не менее специфичен и состав почвенной фауны. Наряду с беками и углеводами в них содержатся хитин, липиды, а также нуклеиновые кислоты и нуклеотиды. Помимо органических соединений растительные остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов, колеблющееся в зависимости от видовой принадлежности и условий обитания в широких пределах (1-10%). В составе золы доминируют калий, кальций, кремний; в меньших относительных количествах содержатся фосфор, сера, хлор. Минимальная зольность характерна для древесины, максимально богаты зольными элементами травы и водоросли. Таким образом, в почву попадает сложная смесь органических соединений различной природы. Рассмотрим кратко современные представления о природе основных компонентов, слагающих массу сухого вещества организмов.

Углеводы. Подразделяются на три группы: моно-, ди- и полисахариды. Из них в растительных остатках в большом количестве содержатся лишь полисахариды, из которых наиболее распространена клетчатка, или целлюлоза. Клетчатка входит в состав клеточных стенок и содержится в растительных остатках в большом количестве. К подгруппе полисахаридов относятся гемицеллюлозы - вещества, сопутствующие клетчатке.

К группе полисахаридов относятся также хитин, который представляет собой аналог клетчатки, но содержит азот. Он входит в состав клеточных оболочек грибов, а также насекомых.

Скорость трансформации углеводов различна. Моносахариды разлагаются наиболее интенсивно.

Лигнин. Обязательный компонент растительных остатков. Относится к классу ароматических соединений. По элементному составу лигнин по сравнению с клетчаткой имеет более высокое содержание углерода и более низкое - кислорода. Лигнин входит в состав клеточных стенок в виде пропитывающего вещества. Содержание его в растительных остатках может достигать 40%. Лигнин - один из наиболее устойчивых против разложения компонентов растительных тканей, но он хорошо гумифицируется, вследствие чего многие исследователи читают его основным гумусообразователем.

Азотистые вещества. Большая часть их в растениях представлена белками. Белки составляют главную часть протоплазмы клеток и их ядер. Их содержание в растениях колеблется от 0,6 до 14, 8%, в грибах 10-50%, в бактериях 40-80%. Полинуклеотиды представлены в основном ДНК и РНК, содержание которых в живых организмах колеблется в очень широких пределах, достигая 50% в рибосомах и снижаясь до 0,1-1,0% в листьях и стеблях растений. К классу белков принадлежат ферменты, осуществляющие все процессы превращения органических веществ в природе как в живой клетке, так и вне ее. К числу азотистых соединений (небелковой природы) относятся хлорофилл и алкалоиды. Белковые вещества при отмирании организмов быстро подвергаются биохимическим превращениям. Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов они расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются.

Липиды. Обширная группа жиров и жироподобных веществ, обладающих гидрофобностью и нерастворимостью в воде. Содержание жиров в растительных остатках невелико. Они образуют запасные вещества главным образом в семенах и плодах. Более высокое содержание жиров в низших организмах: водорослях, грибах, бактериях. Близки к жирам различные воски, выполняющие функции защитных веществ. Они представляют собой сложные эфиры жирных кислот и одноатомных высокомолекулярных спиртов. Содержание их в растительных остатках незначительно.

Пигменты. Вещества, принадлежащие к этой группе хорошо растворимы в органических растворителях и обуславливают окраску многих частей растений, а также микроорганизмов. Главнейшими растительными пигментами являются каротин и ксантофилл, относящиеся к группе каротиноидов, и хлорофиллы, окрашивающие клетки в зеленый цвет. В зеленых растениях хлорофиллы составляют около 1% сухого вещества и образуют комплекс с липидами и белками. Очень разнообразны и многочисленны пигменты микроорганизмов, в частности черные пигмент грибов.

Растительные вещества вторичного происхождения. Наряду с белками, углеводами, липидами и лигнином в растениях присутствует большая группа веществ, называемых обычно веществами вторичного происхождения. Все эти вещества можно поделить на восемь групп: органические кислоты алифатического ряда; ароматические и гидроароматические соединения; глюкозиды; дубильне вещества, эфирные масла и смолы; каучук и гуттаперча; алкалоиды; регулятор роста растений и микроорганизмов; антибиотики.

Смолистые вещества. Могут иметь различное химическое строение и являются полимеризированными кислородными производными терпенов типа кислот, спиртов и т.д.

Дубильные вещества. Представляют собой довольно многочисленную группу соединений, которые являются в основном производными многоатомных фенолов. Дубильне вещества содержатся почти во всех растениях. Однако в низших и однодольных травянистых растениях их мало. Значительное количество дубильных веществ находится в древесине и коре некоторых деревьев, а также в полукустарниках семейства вересковых. При отмирании клеток дубильные вещества окисляются и приобретают бурую окраску.

Вещества покровных тканей. В состав покровных тканей входят суберин, кутин, спорополленины. Необходимо отметить их большую устойчивость к химическим реагентам и воздействию микроорганизмов, благодаря чему эти соединения и состоящие из них растительные остатки хорошо сохраняются.

Органические удобрения. Существенный источник органических веществ в пахотных почвах. Особенно большое значение имеет для всех почв Нечерноземной зоны. Количество удобрений, вносимых в почву в этой зоне, различно и определяется как степенью окультуренности почвы, так и уровнем интенсификации земледелия в хозяйстве. Оно колеблется в среднем от 2-5 до 10-12 т/га ежегодно.

Основными видами органических удобрений, поступающих в почвы, служат стойловый навоз на торфяной подстилке, компосты на торфяной основе, торф, птичий помет, зеленые удобрения (донник, люпин, чина, сераделла и др.), различные отходы сельского хозяйства.

3. Процессы трансформации органического вещества в почве

3.1 Общая схема процессов трансформации

Поступающие в почву растительные остатки подвергаются разнообразным процессам превращения, в результате которых значительная часть органического материала разрушается с образованием простых минеральных соединений, другая часть (10-30%), изменяясь, переходит в более устойчивую форму органического вещества почвы, получившего название гумуса.

Конечный результат минерализации - постепенное исчезновение органических компонентов и образование минеральных соединений, используемых в биологическом круговороте; итог гумификации - консервация органического вещества в форме новых устойчивых к разложению продуктов - гумусовых кислот, являющихся, таким образом, аккумуляторами огромных запасов элементов питания и энергии.

Характер трансформации органических остатков универсален в пределах биосфер и осуществляется не только в почвах, но и в любых других скоплениях мертвого органического вещества, доступного для микроорганизмов. Интенсивность этих двух процессов, соотношение между ними, процессы взаимодействия продуктов трансформации с компонентами окружающей среды, и с минеральной частью почвы очень разнообразны и обусловлены всем комплексом условий, в которых развивается этот процесс.

3.2 Процессы разложения-минерализации органических остатков в почве

Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты.

Продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов, воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, степень увлажнения и аэробиозиса, а также от гранулометрического и химического состава почвы, в которой развивается этот процесс.

Наряду с микроорганизмами, обуславливающими процесс разложения органических остатков, огромна роль почвенной фауны, которая обуславливает как измельчение и механическое перемешивание органических остатков с массой почвы, так и их химическую трансформацию. Представители макро-, мезо-, микрофауны не только перераспределяют и измельчают все органические остатки, но и сами участвуют в процессах разложения.

На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная, что связано с особенностями гидротермических условий зонального ряда (Н.Ф. Ганжара, 2001).

3.3 Процессы гумификации органических остатков

Гумификацией следует называть процесс образования особого класса органических веществ - гумусовых кислот, которые накапливаются при трансформации мертвых растительных, микробных и животных остатков в биосфере, в почве, торфе, сапропеле и других органогенных телах природы. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Все они в той или иной мере подтверждены экспериментально.

Концепция биохимического окисления. Предложена И.В. Тюриным. Ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение - белков, лигнина, дубильных веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация образованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы. Концепция биохимической конденсации и полимеризации. Основоположником этой концепции был А.Г. Трусов. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хинонов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохимический, с участием ферментов грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации - как чисто химический, который происходит на заключительном этапе гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с минеральной частью почвы. Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества - это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые была предложена П.А. Костычевым. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых анаэробных и аэробных бацилл образуются темнее пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв.

4. Условия накопления органического вещества в почве

Накопление органического вещества в почвах зависит прежде всего от соотношения между величиной ежегодного прихода органического материала и величиной расхода или убыли его вследствие процессов минерализации; в некоторых случаях убыль может происходить также за счет вымывания растворимых соединений за пределы почвы.

При равенстве величин годового прихода и расхода накопление органического вещества будет отсутствовать; оно возможно только в том случае, если приход превышает убыль от разложения. Накапливающееся органическое вещество отличается значительной устойчивостью к разложению, однако оно также подвергается минерализации (и вымыванию). Поэтому по мере накопления его в почве общая величина ежегодного расхода органического вещества должна постепенно увеличиваться и через некоторый период сравняется с величиной ежегодного прихода свежего материала, после этого дальнейшее накопление становится уже невозможным.

Таким образом, размеры накопления гумуса определяются величиной ежегодного прихода органических остатков, коэффициентом разложения этих остатков и коэффициентом разложения самого гумуса.

Разложение связано с деятельностью микроорганизмов и зависит от целого ряда факторов: состав поступающих в почву растительных остатков, климатические и почвенные условия. Эти факторы оказывают также влияние на одновременно идущие процессы микробного и физико-химического синтеза, результаты которых отражаются на составе и свойствах образующегося гумуса.

Значение химического состава растительных остатков

Быстрее всего разлагаются водорастворимые соединения, представленные сахарами, органическими кислотами и т.п. Поэтому скорость разложения в первый период напрямую зависит от содержания в них водорастворимых соединений.

Группа соединений, к которым относятся целлюлоза и гемицеллюлоза, составляющие главную массу растительных остатков, разлагается несколько медленнее. Еще медленнее в большинстве случаев разлагается лигнин, наличие его значительных количеств замедляет разложение целлюлозы. Так же замедляющее влияние на разложение органических остатков и на разложение гемицеллюлозы и целлюлозы оказывает большое содержание смол и дубильных веществ. Органические азотистые соединения легко подвергаются разложению. При разложении растительных остатков, бедных азотом, развитие микроорганизмов лимитируется содержанием азота, поэтому, чем выше содержание азотистых соединении, тем энергичнее идут процессы разложения. В связи с влиянием почвенных условий имеет значение также и характер поступления растительных остатков в почву - в виде поверхностного опада, или непосредственно в минеральные горизонты за счет отмирающей корневой системы, так как условия разложения наземного опада и корневых систем очень различны в отношении увлажнения, аэрации и влияния минеральной части почв.

Влияние аэрации и условий увлажнения

Аэробное разложение органических остатков в почве происходит при условии свободного доступа воздуха под влиянием аэробных бактерий, грибов, а также окислительных энзим и отчасти минеральных катализаторов. Оно характеризуется интенсивно идущими процессами биохимического окисления, конечным результатом которого является минерализация органических веществ. Промежуточные продукты гидролитического распада и неполного окисления имеют временный характер, их накопления не происходит. Образующиеся гуминовые вещества неустойчивы. Таким образом, резко выраженный аэробный тип разложения, может привести к почти полной минерализации органического вещества в почве.

Анаэробное разложение происходит при отсутствии доступа кислорода, может иметь место в нижних горизонтах болотных почв, пересыщенных неподвижной влагой (а также на дне прудов и озер). Оно совершается под влиянием анаэробных бактерий, вызывающих различные виды брожения. Промежуточные продукты распада и неполного окисления (в виде органических кислот и других соединений) образуются в значительных количествах и угнетают процессы разложения, которые идут медленнее, чем при аэробных условиях, и приводит к значительному накоплению органического вещества (в виде торфа и сапропелей). Анаэробным процессам в большей мере подвергаются органические соединения со значительным содержанием кислорода в молекуле, например углеводы, пектиновые вещества, протеины, тогда как менее окисленные - лигнин, жиры, смолы - более устойчивы и накапливаются, подвергаясь лишь медленным изменениям (битумизации). Резко выраженные анаэробные условия неблагоприятны для процессов гумификации. Наряду с типичными формами аэробного и анаэробного разложения в природе гораздо большее распространение имеют промежуточные формы неполного аэробиозиса или неполного анаэробиозиса, при которых аэробные процессы одновременно или периодически сопровождаются анаэробными и наоборот. При влажности, соответствующей воздушно-сухому состоянию (гигроскопическая влажность), разложение идет очень медленно, увеличиваясь с повышением температуры (т.е. совершается как химический процесс). При увеличении влажности процессы разложения резко усиливаются, дальнейшее повышение влажности после определенного предела вызывает ограничение доступа воздуха и снижение интенсивности процессов разложения. Таким образом, влияние влажности как фактора накопления органического вещества в почвах может сказываться только или при резком недостатке влаги или, при избытке ее, вследствие ограничения доступа воздуха.

Влияние температуры

В пределах обычных температур, наблюдаемых на земной поверхности, скорость разложения увеличивается с повышением температуры. При дальнейшем повышении температуры скорость разложения сначала снижается, затем опять увеличивается. Такая закономерность объясняется тем, что при разложении идут не только химические, но и биологические процессы. Биологические процессы при температуре около 0⁰ и выше значительно усиливаются до определенного предела, когда температура превышает оптимальные значения для микроорганизмов скорость разложения падает. Химические процессы окисления, будучи незначительными при низких температурах, усиливаются при повышении температуры (скорость разложения возрастает).

Влияние химических и физических свойств почвы.

Влияние химического состава почвы на процессы разложения органических остатков обусловлено наличием растворимых и легкодоступных минеральных веществ, необходимых для развития микроорганизмов. От химического состава почвы зависит реакция среды - окислительные процессы разложения протекают наиболее интенсивно при нейтральной и щелочной реакции почвы. В природных условиях различная реакция почв (за исключением солонцов и солонцеватых почв) обуславливается наличием или отсутствием углекислой извести и степенью насыщенности почвы кальцием. Углекислая известь способствует накоплению гумуса в почвах, особенно во влажных (гумидных) и гумидно-аридных областях. Кальций оказывает большое влияние как на процессы разложения, так и на накопление гумуса, причем это влияние частью косвенное - реакция почвы, а частью прямое - образование нерастворимых гуматов.

Одним из важнейших почвенных факторов накопления гумуса является механический состав почв. Глинистые почвы при всех прочих равных условиях имеют более высокое содержание гумуса, чем легкосуглинистые и особенно песчаные. При легком механическом составе вследствие лучшей аэрации процессы разложения идут более интенсивно; кроме того, в песчаных почвах часть органического вещества может теряться вследствие вымывания. Существенной причиной малого накопления гумуса в песчаных и вообще легких по гранулометрическому составу почвах является также бедность их кальцием и глинистой фракцией, которые играют большую роль в закреплении гумуса.

5. Роль органического вещества в образовании почвы и создании ее плодородия

5.1 Участие органических веществ в процессе выветривания и начальных стадиях почвообразования

Образование почвы в значительной мере обязано воздействию на материнскую породу органических веществ в различных формах и представляет собой процесс биогеохимический. Имеются все основания считать, что пионерами в этом процессе являются микроорганизмы, грандиозная роль которых в круговороте железа, серы, кальция, кремния, фосфора и других элементов установлена С.В. Виноградским (1952).

Многие ученые считают основой процесса почвообразования синтез и разложение органического вещества. В.И. Вернадский рассматривал живые организмы как величайшую силу, воздействующую на породы и минералы: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы, взятые в целом». Вернадский указывал, что в сложных условиях биохимического воздействия организмов и воды с содержащимися в ней кислородом, углекислотой и органическими веществами происходит разложение силикатов и алюмосиликатов, выделение из богатых закисью железа соединений гидратов окиси железа, образование щелочных и щелочноземельных углекислых солей, большей частью растворимых в воде, выпадение коллоидов кремнезема, коалиновых глин, разрушение связи кремнезема и глинозема с металлами.

Живое вещество играет ведущую роль в геохимии верхней части земной коры. При наблюдении над выветриванием горных пород было установлено, что этот процесс связан с деятельностью литофильных организмов, которые способны заселять и изменять горную породу. Даже в суровых климатических условиях Антарктиды выветривание и первичное почвообразование осуществляются при участии разнообразных групп организмов. Исследованиями микробиологов, проведенными на горных породах Кавказа (Александрова, 1980), Тянь-Шаня, Хибин, установлено активное участие в выветривании синезеленых и зеленых водорослей, грибов, актиномицетов.

Формы воздействия живых организмов и продуктов их жизнедеятельности на породы и слагающие эти породы минералы весьма разнообразны. Наиболее постой формой является растворение продуктами жизнедеятельности микроорганизмов таких минералов, как кальцит (CaCO₃), магнезит (MgCO₃), доломит (СаСО₃ MgCO₃), сидерит (FeCO₃), солей фосфорной кислоты и прочих соединений.

Среди продуктов деятельности микроорганизмов имеются как минеральные (CO_2, HNO_3, H₂S и др.), так и низкомолекулярные органические кислоты (масляная, молочная пропионовая, уксусная, глюконовая, фумаровая).

Превращение в легко усвояемые растением формы труднорастворимых фосфатов (фосфорита и других малорастворимых фосфатов кальция) при воздействии на них продуктов жизнедеятельности микроорганизмов описано многими исследователями.

Микроорганизм способны разлагать весьма устойчивые по природе минералы и породы - разложение («разъедание») плевого шпата смесью бактерий, разложение силикатов особыми силикатными бактериями с образованием усваиваемых растением растворимых форм калия.

Разложению минералов способствуют не только бактерии, но и водоросли. Например, в присутствии диатомовых водорослей в смешанной культуре с бактериями происходит разложение каолиновых глин.

Грандиозную разрушительную работу в природе производят лишайники. Как и в случае водорослей, разрушение пород и минералов вязано с воздействием их слизистых тел на субстрат.

Отмеченные выше факты разрушения минералов и пород слизистыми выделениями бактерий, водорослей, лишайников могут быть объяснены тем, что эти выделения обладают большой склеивающей способностью и разрыв сцепленных частиц после высыхания слизи возможен лишь при применении значительной механической силы. Отрыв чешуек от породы в результате действия литофильной растительности (в частности лишайников) наблюдают многие исследователи.

Глубокое изменение и разрушение минералов вызывают продукты жизнедеятельности организмов, обладающие хелатирующими свойствами. К этой группе относятся многие представители органических кислот и, в частности, лишайниковые, а так же производные уроновых кислот, некоторые пигменты, аминосахара, амины и др. Эти соединения в почве представляют собой продукты распада органических остатков, но преимущественно являются продуктами обмена веществ и ресинтеза лишайников, грибов и многих групп бактерий. При контактном воздействии эти вещества как бы «вырывают» из пород и минералов алюминий, железо, марганец, медь и другие элементы, образуя с ними комплексные и внутрикомплексные соединения (хелаты). Последние весьма подвижны, активно участвуют не только в начальных, но и в последующих стадиях почвообразования, а также в геохимии элементов - железа, алюминия, меди, урана, мышьяка, цинка, селена, германия, марганца, золота и других элементов. Органическим веществам, обладающим хелатирующими свойствами, принадлежит важная роль в снабжении растений железом и микроэлементами (Mn, Co, Mo, Zn).

В процессах первичного почвообразования участвуют не только продукты метаболизма живых микроорганизмов, но и собственно гумусовые вещества, формирование которых отмечается уже на ранних стадиях почвообразования, до появления высшей растительности. Разложение различных минералов (в частности, относящихся к группе силикатов и алюмосиликатов) растворами гуминовых, креновых и апокреновых кислот было доказано экспериментально многими исследователями. Характер этого воздействия зависит как от природы гумусовых веществ, так и от природы минералов. Наиболее активная роль в разложении пород и минералов принадлежит фульвокислотам. Опыты говорят о различной устойчивости минералов к разлагающему действию гуминовых и низкомолекулярных органических кислот; наиболее легко разлагались амфиболы; несколько слабее - мусковит, эпидот; трудно - циркон; очень устойчивыми оказались рутин, турмалин, кварц.

С поселением на примитивных почвах высшей растительности усиливается воздействие органического на материнскую породу. Известны факты механического дробления пород корнями высших растений, а также растворение минералов корневыми выделениями. В состав корневых выделений входит ряд органических соединений, обладающих хелатирующими свойствами (аминосахара, органические кислоты, амины и др.)

5.2 Роль органических веществ в формировании почвенного профиля; формы связи органических веществ с минеральной частью почвы

Гетерогенность почвенного профиля является результатом изменения материнской породы и перераспределения материала в процессе почвообразования. Немаловажная роль в этих явлениях принадлежит органическим веществам почвы.

Лишь малая часть органического вещества присутствует в почве в свободном состоянии, преобладающая же доля связана с минеральной частью почвы.

Классификация связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы:

1. соли низкомолекулярных органических кислот (ацетаты, оксалаты и др.);

2. соли гуминовых кислот и фульвокислот (фульваты, гуматы);

3. комплексные и внутрикомплексные соединения (хелаты);

4. адсорбционные органо-минеральные соединения («аргиллиты»).

Ниже приведена краткая характеристика каждой группы веществ.

1. Соли низкомолекулярных органических кислот образуются при воздействии кислот (уксусной, щавелевой, молочной, фумаровой и других, являющихся преимущественно продуктами жизнедеятельности микроорганизмов и животных) на минералы (кальцит, магнезит, сидерит и др.) и на соли (натрия, калия, кальция, фосфора, и пр.) минеральных кислот. Некоторое количество солей низкомолекулярных органических кислот, в частности оксалатов, может поступать в почву с растительными остатками.

2. Соли гумусовых веществ с катионами щелочных и щелочноземельных металлов - гуматы и фульваты - являются образованиями, характерными для почв. При взаимодействии их с растворимыми щелочными или нейтральными солями щелочных и щелочноземельных оснований происходят обменные реакции с образованием соответствующих гуматов и фульватов. Замещение на металл водорода функциональных групп - карбоксильных и фенольных гидроксилов - происходит последовательно, возрастая по мере повышения pH растворов. Наиболее полное замещение наблюдается при в сильнощелочной среде (pH 10-12). Имеет значение не только реакция среды, но и концентрация вещества. Реакции обмена протекают с разбавленными золями и разбавленными растворами солей, при более высоких концентрациях золей реакции осложняются частичной коагуляцией гуминовых кислот.

3. Группа комплексных соединений органических веществ с железом, алюминием, медью и другими элементами характерна для почв. В их образовании могут участвовать как органические соединения индивидуальной природы, так и собственно гумусовые вещества. Эти соединения могут быть двух типов: 1) комплексные соединения, в которых каждый радикал связан только с одной координационной связью центрального иона; 2) внутрикомплексные соединения (хелаты), в которых радикал молекулы соединен с центральным ионом несколькими координационными связями. Комплексные и особенно внутрикомплексные метало-органические соединения играют активную роль в явлениях выветривания на первых стадиях почвообразования, а также в последующих стадиях и, в частности, в развитии подзолообразовательного процесса.

4. Группа адсорбционных органо-минеральных соединении («аргиллиты») разнообразна по своему составу и включает как производные гуматов и фульватов, так и гумусовые вещества, связанные с глиной. В почве взаимодействие гумусовых веществ с катионами щелочных и щелочноземельных оснований осложняется одновременным образованием других органо-минеральных соединений, и прежде всего алюмо- и железо-гумусовых производных . Поэтому в большинстве случаев в почве формируются не чистые гуматы и фульваты K, Na, Mg, Ca, а более сложные соединения. Вопрос о характере связи гумусовых веществ с глинистыми минералами остается открытым. Имеется несколько предположений, по одному из них комплекс гумусовых веществ с глиной образуется с участием мостиков из обменных катионов Ca, Mg, Al.

Эта часть гумуса почвы определяется в первую очередь содержанием в ней глинистых минералов. В разных почвах тяжелого механического состава (подзолистых, черноземах, каштановых,

красноземах и др.) подобного рода комплексы могут составлять до 50% и более от общего содержания гумуса почвы.

Наличие рассмотренных металло-органических соединений возможно в любых почвах, но в различных количественных соотношениях. Простые соли низкомолекулярных органических кислот находятся в почве в рассеянном состоянии.

Представители второй группы - гуматы и фульваты (щелочей и щелочноземельных оснований) в чистом виде присутствуют в почве в незначительном количестве. Они находятся преимущественно в более сложных формах ( в виде алюмо- и железопроизводных). Характерны для почв черноземного типа; при отсутствии промывного водного режима, что характерно для черноземов, эта сложная система органо-минеральных коллоидов устойчива и более или менее однородна в пределах почвенного профиля.

В формировании профиля подзолистых почв активная роль принадлежит комплексным и внутрикомплексным соединениям железа и алюминия. К образованию подобного рода металло-органических соединений склонны многие органические вещества индивидуальной природы (органические кислоты, особенно дикарбоновые, уроновые, лишайниковые, а также пигменты, аминосахара, некоторые аминокислоты и др.) Группа полифенолов, которая представляет собой продукты разложения лигнина и дубильных веществ в почве лиственном опаде и в лесных подстилках, способна образовывать внутрикомплексные соединения с железом. Существенна роль этой группы веществ в переносе железа и в развитии подзолообразовательного процесса.

Способностью к образованию комплексных и внутрикомплексных соединений (хелатов) с железом, алюминием, медью и другими поливалентными катионами обладают собственно гумусовые вещества, что в значительной мере определяется наличием в их молекулах гидрофильных групп, расположенных в боковых радикалах. Именно по этой причине фульвокислоты в наибольшей степени склонны к образованию внутрикомплексных соединений с рядом катионов и, в частности, с железом.

Ввиду того, что способностью к образованию комплексных и внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами и, в частности, с железом обладают многие органические вещества, присутствие их возможно в любых почвах .

Образованию соединений типа хелатов в подзолистых почвах и красноземах способствует высокое содержание в составе гумуса этих почв фульвокислот и близких к ним по природе гуминовых кислот, а также продуктов неполной гумификации органических остатков, обладающих хелатирующими свойствами. Железо, алюминий под влиянием перечисленных выше органических веществ переходят из первичных минералов или из состояния гидроокисей в состояние стабильных, отрицательно заряженных молекулярных внутрикомплексных органо-минеральных соединений и в таком виде при наличии промывного режима мигрируют в почвенном профиле до зон нарушения условий их устойчивости, где и образуют гумусо-иллювиальный горизонт. Такой путь формирования гумусо-иллювиальных горизонтов называют молекулярно-инфильтрационным.

Органическим веществам принадлежит важная роль и в иных формах перемещения почвенного материала.

Инфильтрационный перенос ила обязан пептизирующему действию органических веществ почвы. При сравнительном изучении органического вещества в подзолистых почвах и лессиве исследователи пришли к заключению, что развитию подзолообразовательного процесса способствует среда, бедная основаниями и азотом, где гумификация растительного материала протекает слабо, а продукты неполной гумификации мигрируют по профилю почвы, обогащаясь железом и алюминием за счет минеральных горизонтов. В почвах же лессиве при достаточном содержании обменных оснований и азота происходит более полная гумификация растительных остатков с образованием гуминовых кислот; участие последних в выносе железа ограниченно.

Выделяют также коллоидно-инфильтрационный механизм образования иллювиальных горизонтов в почвах (в частности, в солонцах), обязанный миграции веществ в виде коллоидных дисперсий. Для такой миграции веществ необходимо разложение почвенных материалов на компоненты и придание им отрицательного заряда. Эта форма образования иллювиального горизонта в солонцах связана с участием гумусовых веществ, которые при наличии обменного натрия переходят в подвижные формы гуматов.