Что называется органическим веществом почвы

Что называется органическим веществом почвы

Глава 4. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ И ЕГО СОСТАВ

§1. Источники органического вещества и его состав

Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом.

Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).

Растительный опад различается не только количественно, но и качественно (см. главу 2). Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.

Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO₂) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.

В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород. Состав органического вещества можно представить следующим образом (рис.6).

§2. Трансформация органического вещества в почве

Превращение органических остатков в гумус – сложный биохимический процесс, совершающийся в почве при непосредственном участии микроорганизмов, животных, кислорода воздуха и воды. В этом процессе главная и решающая роль принадлежит микроорганизмам, которые участвуют во всех этапах образования гумуса, чему способствует огромная населенность почв микрофлорой. Животные, населяющие почву, тоже активно участвуют в превращении органических остатков в гумус. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, заглатывают, перерабатывают и выбрасывают неиспользованную часть в виде экскрементов в толщу почвы.

Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются процессам разложения до более простых соединений, конечной стадией которых является полная минерализация органического вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются растениями как элементы питания. Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал; достаточно хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; устойчивы – лигнин, смолы, воски. Другая часть продуктов разложения потребляется самими микроорганизмами (гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Процесс временного удержания органического вещества в микробной клетке называется микробным синтезом. Часть продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества – гумусовые вещества. Совокупность сложных биохимических и физико-химических процессов превращения органического вещества, в результате которых образуется специфическое органические вещество почвы – гумус, называется гумификацией. Все три процесса идут в почве одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Трансформация органического вещества происходит при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, корнями растений, под влиянием которых осуществляются биохимические реакции гидролиза, окисления, восстановления, брожения и т.д. и образуется гумус.

Существует несколько теорий гумусообразования. Первой в 1952 году появилась конденсационная теория, разработанная М.М.Кононовой. В соответствии с этой теорией образование гумуса идет как постепенный процесс поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ (сначала образуются фульвокислоты, а из них – гуминовые). Концепция биохимического окисления разработана Л.Н.Александровой в 70-е годы XX в. Согласно ей, ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления продуктов разложения, в результате которых образуется система высокомолекулярных гумусовых кислот переменного элементного состава. Гумусовые кислоты вступают во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, освобождающимися в процессе минерализации последних, а также с минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные гумусовых кислот. При этом происходит расщепление единой системы кислот на ряд фракций, различных по степени растворимости и строению молекулы. Менее дисперсная часть, образующая с кальцием и полуторными оксидами нерастворимые в воде соли, формируется как группа гуминовых кислот. Более дисперсная фракция, дающая преимущественно растворимые соли, образует группу фульвокислот. Биологические концепции гумусообразовапия предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р.Вильямсом, она получила развитие в работах Ф.Ю.Гельцера, С.П.Ляха, Д.Г.Звягинцева и др.

В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования неодинаковы и зависят от взаимосвязанных условий почвообразования: водно-воздушного и теплового режимов почвы, её гранулометрического состава и физико-химических свойств, состава и характера поступления растительных остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных условиях в зависимости от водно-воздушного режима. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в почве, благоприятной температуре и свободном доступе О₂ процесс разложения органических остатков развивается интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же условиях быстро идет минерализация как промежуточных продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и других почвах субтропиков).

В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, а также при низких температурах, недостатке О₂) процессы гумусообразования идут медленно при участии, главным образом, анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН₄, H₂S), угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, и органические остатки превращаются в торф – массу слаборазложившихся и неразложившихся растительных остатков, частично сохранивших анатомическую структуру. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве аэробных и анаэробных условий с чередованием периодов иссушение и увлажнения. Такой режим характерен для черноземов.

Видовой состав почвенных микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности также влияют на образование гумуса. Северные подзолистые почвы в результате специфических гидротермических условий характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с небольшим видовым разнообразием и низкой жизнедеятельностью. Следствием этого является медленное разложение растительных остатков и накопление слаборазложенного торфа. Во влажных субтропиках и тропиках отмечаются интенсивное развитие микробиологической деятельности и в связи с этим активная минерализация остатков. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с разным количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как очень слабая, так и высокая биогенность почвы не способствует накоплению гумуса. Наибольшее количество гумуса накапливается в почвах со средним содержанием микроорганизмов (черноземы).

Гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы имеют не менее значительное влияние. В песчаных и супесчаных хорошо прогреваемых и аэрируемых почвах разложение органических остатков идет быстро, значительная часть их минерализуется, гумусовые веществ мало и они плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при равных условиях происходит медленнее (из-за недостатка О₂), гумусовых вещества закрепляются на поверхности минеральных частиц и накапливаются в почве.

Химический и минералогический состав почвы определяет количество питательных веществ, необходимых для микроорганизмов, реакцию среды, в которой идет образование гумуса, и условия для закрепления гумусовых веществ в почве. Так, почвы, насыщенные кальцием, имеют нейтральную реакцию, которая благоприятна для развития бактерий и закрепления гуминовых кислот в виде нерастворимых в воде гуматов кальция, что обогащает ее гумусом. В кислой среде при насыщенности почв водородом и алюминием образуются растворимые фульвокислоты, которые имеют повышенную подвижность и ведут к большому накоплению гумуса. Закреплению гумуса в почве способствуют также глинистые минералы типа монтмориллонита и вермикулита.

В связи с различием в факторах, влияющих на образование гумуса, в разных почвах количество, качество и запасы гумуса неодинаковы. Так, в верхних горизонтах черноземов типичных содержится 10 – 14 % гумуса, серых темных лесных – 4 – 9 %, дерново-подзолистых – 2 – 3 %, темных каштановых, желтоземах – 4 – 5 %, бурых и серо-бурых полупустынных – 1 – 2 %. Запасы органического вещества в природных зонах также различны. Наибольшие запасы, по данным И.В.Тюрина, имеют различные подтипы черноземов, торфяники, серые лесные, средние – темно-каштановые, красноземы, низкие – подзолистые, дерново-подзолистые, сероземы типичные. В пахотных почвах Республики Беларусь содержится гумуса: в глинистых – 65 т/га, в суглинистых – 52 т/га, в супесчаных – 47 т/га, в песчаных – 35 т/га. Почвы Республики Беларусь в зависимости от содержания гумуса в пахотном слое делятся на 6 групп (табл. 3). В почвах других природных зон существуют свои градации в зависимости от содержания гумуса.

Группировка почв Республики Беларусь по содержанию гумуса

Источник

Органическое вещество почвы: описание и влияние на плодородие

В пределах почвенного профиля присутствуют разнообразные минеральные и органические вещества. Почва в своем составе имеет как живую биомассу, так и всевозможные химические соединения. Без знания их свойств агроном не сможет эффективно управлять плодородием и увеличивать урожайность. Поэтому изучение органических и минеральных веществ почвы издавна привлекает внимание специалистов сельского хозяйства. В последние годы особенно возрос интерес к исследованию растительных и животных остатков в составе верхнего слоя суши. В нашей статье речь тоже пойдет об этом.

Определение и источники

Вам будет интересно: Как подобрать рифму к имени Сережа

Итак, органическое вещество почвы – это совокупность всей живой биомассы в форме гумуса и остатков растений и животных. Оно играет ключевую роль в формировании свойств почвенного слоя, с которыми связаны фитосанитарные функции и развитие плодородия.

Главными источниками органического вещества в почве выступают отмершие растения в виде корневой и надземной масс. В меньшем количестве поступают остатки фауны. Их соотношение зависит от местных условий и состава зональной растительности. Так, для почв тундры характерна небольшая доля органических остатков. Затем к тайге, лесам и лесостепям она нарастает. При переходе в степную зону опад сокращается вследствие сухого климата, зато возрастает доля корнеопада. В пустынных областях доля органических остатков минимальна, а в лесах тропиков и субтропиков она снова резко увеличивается.

Вам будет интересно: Высшая школа перевода (ВШП) МГУ

Характер поступления опада в почву

Органические остатки проникают в почвенный профиль неодинаково: в лесах их основное количество поступает на поверхность слоя, а в травянистых местностях — непосредственно внутрь в форме отмерших корней. От характера попадания в почву опада зависят дальнейшие процессы его превращения. В химическом составе сухих остатков присутствуют белки, углеводы, воски, смолы, лигнин и другие вещества. Также содержатся зольные элементы: кремний, калий, магний, кальций, сера, фосфор, железо и ряд других.

Наиболее быстро гумификации и минерализации подвергается опад, который богат основаниями (магнием, кальцием) и веществами, легкодоступными для микроорганизмов (аминокислотами, белками, растворимыми углеводами). Растительные остатки, содержащие много смол, лигнина и дубильных веществ, разлагаются медленно. Что касается опада культурных растений, среди них быстрее всего трансформации подвергаются остатки бобовых трав, а медленнее всего — солома злаковых трав.

Гумификация

Вам будет интересно: Что такое ластик? Значения слова

Поступая в почву, органические остатки претерпевают разные превращения, в том числе биохимические изменения под влиянием микроорганизмов и измельчение почвенной фауной. Основным направлением таких превращений выступает гумификация. В настоящее время выделяют три варианта ее процесса.

Конденсационная (полимеризационная) концепция выделяет три этапа гумификации. Сначала из отмерших микроорганизмов и продуктов распада растений образуются структурные единицы, служащие для формирования гумусовых веществ. Затем посредством окисления фенолов до хинонов осуществляется конденсация структурных единиц. Завершается гумификация этапом поликонденсации.

Концепция биохимического окисления рассматривает процесс преобразования органических остатков как реакцию медленного ферментативного окисления, в результате которой образуются гумусовые высокомолекулярные кислоты, в дальнейшем подвергающиеся ароматизации.

Биологическая концепция характеризует гумусовые вещества в качестве продукта синтеза разных микроорганизмов и предполагает, что процесс гумификации включает как реакции полимеризации и конденсации, так и реакции биохимического окисления. Состав уже сформировавшегося гумуса постоянно обновляется посредством включения в его молекулы отдельных фрагментов органических соединений.

Характеристики состава

Образование органического вещества почвы происходит путем соединения органических остатков отмерших организмов и продуктов их гумификации. К первой группе относятся видимые невооруженным глазом части растений и животных, а также небольшая доля веществ тех или иных классов органических соединений (углеводов, аминокислот, белков, дубильных веществ, сахаров, ферментов).

Основным органическим веществом почвы выступает гумус — смесь разных по свойствам и составу азотосодержащих высокомолекулярных органических соединений. По экстрагируемости из почвенного слоя и растворимости гумусовые вещества подразделяются на фульвокислоты, гумин и гуминовые кислоты.

Вам будет интересно: Абсолютная высота и относительная высота в географии

Фульвокислоты являются наиболее растворимой и менее сложной по строению группой. У них более низкие молекулярные массы и высокая миграционная способность. Это самая светлоокрашенная часть гумуса, преобладающая в подзолистых, красноземных и сероземных почвах тропиков. Гумин — вещество, неэкстрагируемое из почвенного слоя щелочами и кислотами. Наиболее прочно он связан с глинными минералами. Гуминовые кислоты — нерастворимая часть гумуса, характеризующаяся более сложным строением, высокими молекулярными массами и повышенным содержанием углерода. Они преобладают в каштановых, дерновых, черноземных и серых лесных почвах.

Лабильная и стабильная группы

Помимо вышеизложенных характеристик состава органического вещества почвы, существует его разделение на лабильную и стабильную части. Первую составляют подвижные формы гумуса (водорастворимые и слабо закрепленные минералами вещества), предгумусовая фракция и растительные остатки. Лабильная группа выступает в качестве основного источника пищи и энергии для почвенной биоты. Также установлено, что остатки растений улучшают физико-механические свойства слоя почвы.

Читайте также:  Масса объединенной пробы почвы должна составлять не менее

Стабильную группу составляют гумусовые вещества, которые прочно закреплены соединениями минералов (гуминово-глинистыми комплексами, гуматами кальция и др.). Это медленно минерализующаяся, устойчивая часть органического вещества почвы. Чтобы она полностью обновилась, нужны тысячелетия. Стабильный гумус является потенциальным резервом разных элементов питания, но его наибольшее агрономическое значение состоит в формировании благоприятных физико-механических и водно-воздушных свойств почвы, а также выполнении ей санитарно-защитных функций.

Роль органического вещества в почве

Большое число элементарных почвенных процессов происходит при участии гумусовых веществ. Это элювиальные, биогенно-аккумулятивные, метаморфические и другие ЭПП. Запасы, состав и содержание органического вещества в почве служат главными показателями плодородия и влияют на все ее свойства и режимы.

Живая биомасса является источником зольных элементов и азота, необходимых для питания растений. Часть этих веществ усваивается флорой в ходе ионообменных реакций или находится в поглощенном состоянии. Другая часть становится доступной растениям после высвобождения и минерализации органических веществ.

В почве гумус выступает как оптимизатор физико-химических свойств. Более гумусированные слои обладают высокой буферностью к окислению-восстановлению, кислотно-основным воздействиям и действию токсикантов. Катионы, поглощенные органо-минеральными коллоидами, становятся доступными для растений и интенсивно их питают.

Также органическое вещество воздействует на структуру, механические и физические свойства почв. Чем выше гумусированность, тем ниже плотность, лучше структура и водопрочность структурных агрегатов, более оптимизированы твердость, пластичность, липкость и удельное сопротивление. За счет гумуса почва получает темную окраску, что содействует поглощению тепла.

Влияние на плодородие

Органическое вещество почвы играет ведущую роль в ее биологическом режиме, способствует сохранению в ней микроорганизмов и создает для их функционирования комфортные условия. Высокая биологическая активность почвенного слоя ведет к снижению патогенных микроорганизмов и ускорению микробиологической деградации пестицидов.

В формировании плодородия главную роль играют гумусовые вещества — конечные продукты гумификации. Опад надземных частей отмирающих растений создает на поверхности почвы слой подстилки. Ее годовое количество неодинаково в разных зонах и типах растительности.

Переработка растительного опада

Запас подстилки зависит от скорости разложения. Если опад богат дубильными веществами и сильно лигнифицирован, он разлагается намного медленнее, чем остатки лиственных пород. В разложении подстилки участвуют многие животные организмы, поглощающие опад в качестве пищи. В широколиственных лесах в дело вступают дождевые черви, а на кислых почвах хвойного леса растительный опад перерабатывают главным образом грибы.

Не менее важны в формировании гумуса отмирающие корни. По их массе на первом месте идут луговые степи и широколиственные леса, затем – субтропические и влажные тропические леса и, наконец, пустыни. Высокий запас отмирающих корней под степной травяной растительностью обусловлен преобладанием там тонких и легко разлагающихся растений. Этот гумус обеспечивает высокое плодородие черноземных степных почв.

Факторы, влияющие на гумусообразование

Содержание органического вещества в почве во многом зависит от температуры. Этим объясняется недостаток гумуса в тропических зонах, где при большой влажности и высоких температурах сапротфоры мощно перерабатывают остатки. В тундре, напротив, активность гетеротрофных организмов очень мала, и растительные остатки практически не разлагаются.

Там, где минерализация органического вещества происходит быстро, минеральные элементы в короткие сроки высвобождаются и вновь становятся доступны зеленым растениям. Это обусловливает формирование большой фитомассы, но и повышенный риск вымывания из почвы минеральных веществ.

Биологический цикл

Плодородие во многом зависит от того, насколько быстро в почву возвращаются отнятые у нее элементы. Некоторые вещества теряются, уходя через сток с дренирующими водами или попадая в атмосферу. Но такие процессы, как фиксация азота, отложение пыли, продолжающееся выветривание, частично восстанавливают утраченные элементы.

В целом зеленые растения больше отдают почве, нежели берут от нее. Они выводят относительно не много растворенных соединений, а возвращают значительную массу органических веществ: лигнин, жиры, целлюлозу, сахара, крахмал, протеины и так далее. Благодаря этому возможность развиваться в почве получают многие животные и организмы, питающиеся этими животными.

В заключение

Итак, органическое вещество почвы, по сути, представляет собой комплекс живой биомассы, входящей в ее состав. Присутствие органических соединений отличает почву от материнских пород. Живая биомасса формируется в результате разложения животного и растительного материалов и является важнейшим звеном обмена веществ неживой и живой природы. Органическое вещество почвы во многом определяет ее биологические, химические и физические свойства, а также плодородие.

Источник