Минеральная и органическая часть почв

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.

2.3 Процессы трансформации органического вещества в почве

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.

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.

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.

2.4 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.

2.5 Роль органического вещества в образовании почвы и создании ее плодородия

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 веществам. 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, 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 (CO2, HNO3, 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.).

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.

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 малоподвижны 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.

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. 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 2100 млрд. 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.

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. 12 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.

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.

Малоизвестно 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.

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.

Заключение

В написании данной курсовой работы использовались ряд учебных пособий, по которым можно сделать следующие выводы, соотвествующие поставленным задачам перед выполнением работы.

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. В состав почвообразующих пород и почв входят первичные и вторичные минералы. Первичные минералы слагают магматические породы, а в рыхлых породах и почвах являются остаточным материалом выветривания исходных пород. Вторичные минералы возникли из первичных под воздействием климатических и биологических факторов.

3. Первичные минералы представлены преимущественно частицами больше 0,001 мм, вторичные - меньше 0,001 мм. В большинстве почв первичные минералы преобладают по массе над вторичными, за исключением ферраллитных почв, в которых первичных минералов часто меньше, чем вторичных.

4. 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.

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

6. Гумус - источник CO2, 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.

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

8. 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.

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

кремнекислородный кристаллический выветривание почвообразование

Список использованной литературы

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

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

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

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. - 528с.

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

Размещено на Allbest.ru