Экологическая роль гумуса. Роль почв как аккумулятора органического вещества
Развивая учение В. И. Вернадского о биосфере, В. А. Ковда подчеркивает общепланетарную роль почв, в частности, как аккумулятора органического вещества и связанной с ним энергии, способствующих устойчивости биосферы. Он предложил считать гумусовый слой почв планеты особой энергетической оболочкой — гумосферой. Растительные остатки, поступая в почву, несут -17 — 21 кДж энергии на 1 г сухого вещества.
По данным С. А. Алиева, 1 г гуминовой кислоты содержит от
18 до 22кДж, 1 г фульвокислоты содержит
19 кДж, 1 г липидов — 35,5 кДж. Почвы, содержащие среднее количество органического врщества (4—6%) и имеющие средние запасы гумуса (200—400 т/га), накапливают на 1 га столько энергии, сколько дают 20—30 т антрацита. Болгарскими учеными подсчитано, что почти все природные энергетические ресурсы их страны сосредоточены в гумосфере.
Энергия органического вещества почв используется микроорганизмами и беспозвоночными животными для своей жизнедеятельности, для фиксации азота, а также для многих внутрипочвенных процессов преобразования почвенной массы, для воспроизводства и поддержания почвенного плодородия. Поддержание запасов органического вещества почвы означает сохранение ее энергетического потенциала.
Однако в последние десятилетия было обнаружено, что экстенсивное ведение сельского хозяйства без заботы о поддержании запасов гумуса в почве привело к заметному их сокращению.
В почвах Великих равнин США за последние 30—40 лет содержание гумуса и азота сократилось на 30%. Такое же уменьшение количества гумуса обнаружено и в наших черноземах, где не применялось травосеяние и внесение органических удобрений, при сравнении с данными, полученными В. В. Докучаевым 100 лет тому назад. Вопрос стабилизации и увеличения запасов гумуса в почвах — актуальный вопрос современного земледелия.
Важность этой задачи определена многосторонней ролью органического вещества в устойчивости плодородия почв.
Физические свойства почв тесно связаны с процентным содержанием и запасами органического вещества. По данным И. В. Кузнецовой, повышение содержания гумуса в дерново- подзолистых почвах от 2,5—3 до 5—6% приводит к увеличению водопрочных агрегатов в пахотном слое до 50%, общей порозности до 55—60%, наименьшей влагоемкости до 43—44%, диапазона активной влаги до 20—25%.
Почвы с высоким содержанием гумуса быстрее просыхают весной и раньше пригодны к обработке, требуют меньше затрат на механическую обработку. Эксплуатационные расходы на высо- когумусных почвах сокращаются при возрастании производительности почвообрабатывающих агрегатов. Увеличение содержания органического вещества ведет к снижению равновесной плотности почв, что создает условия для минимализации обработок при повышении их интенсивности.
Физико-химические свойства почв, такие, как емкость поглощения, буферность, находятся в тесной корреляции с содержанием органического вещества: по данным А. М. Лыкова, коэффициент корреляции между этими свойствами (г) составляет 0,64.
Органическое вещество является источником многих питательных компонентов и прежде всего азота: 50% азота растения берут из почвенных запасов Одновременно оно служит основой создания оптимальных условий для эффективного использования высоких доз минеральных удобрений. По данным Т Н. Кула- ковской (1978), повышение гумусированности пахотных почв БССР от 1 до 2,2% повысило эффективность минеральных удобрений в 3 раза. Увеличение содержания гумуса с 1,5 до 4,5—5% повысило коэффициент использования фосфора более чем в 10 раз (с 2,3 до 24—26%). Органическое вещество почв снижает побочное отрицательное действие химических удобрений, способствует закреплению их излишка и нейтрализации вредных примесей
Органическое вещество почв содержит большое количество физиологически активных веществ. Это подтверждено работами А.В.Благовещенского и J1. А. Христевой (СССР), С. Прата (ЧССР), П. Гуминского (ПНР), П. Декока (Шотландия), Р. Ша- минада (Франция), В. Фляйга (ФРГ).
Биологическая активность почв находится в тесной прямой корреляции с органическим веществом почвы. В более гумусированных почвах разнообразнее видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных животных и выше их численность. Ферментативная активность почв также возрастает при нарастании количества гумуса. Содержание органического вещества, особенно подвижной его части, определяет интенсивность поступления С02 в приземный слой воздуха, что позволяет наращивать интенсивность фотосинтеза растений. Почвы с высокой биологической активностью, как правило, способны производить более высокий урожай нолевых культур.
Оптимизация гумусного состояния почв предполагает разработку таких приемов хозяйственной деятельности, которые могут создать условия для получения высокого и устойчивого урожая без деградации почвенного плодородия. С этих позиций органическое вещество почвы делят на мобильное, обеспечивающее эффективное плодородие, высокий текущий урожай культур, их отзывчивость на агромероприятия, и стабильное, обусловливающее устойчивость плодородия почв, урожаев и свойств почв в многолетнем цикле. К первой группе относят свежий опад растений, растительные остатки, вещества индивидуальной природы, легкоминерализующиеся части гумусовых веществ. Ко второй группе — специфические гумусовые вещества.
Оптимальное гумусовое состояние почв определяется комплексом показателей. Важнейшим являются следующие: содержание органического вещества, его запасы, обогащенность его азотом (C:N), обогащенность кальцием, тип гумуса (СГК:СФК), уровень варьирования этих показателей.
Гумусное состояние служит важным показателем плодородия почв и их устойчивости как компонента биосферы. Отдельные его параметры служат объектом мониторинга окружающей среды.
Источник
Экологическая роль гумуса
Велика и многогранна экологическая роль почвенного гумуса. Она заключается, прежде всего, в том, что гумус содержит многие питательные элементы, является источником углекислоты и, следовательно, определяет в значительной мере уровень почвенного плодородия. Все это влияет на условия произрастания естественной и культурной растительности, на интенсивность прироста биомассы, определяя условия жизни животных и человека. Кроме того, значительное содержание в гуминовых кислотах функциональных групп определяет их высокую поглотительнуо способность; гуминовые кислоты образуют с тяжелыми металлами комплексные соединения, исключая их на длительный период из биологического круговорота веществ и значительно снижая в почве концентрацию подвижных форм тяжелых металлов. В этом также заключается важная экологическая роль почвенного гумуса.
При решении вопросов оптимизации гумусного состояния почв важно достигнуть не только оптимального содержания гумуса, но и сохранить в общих чертах соотношение в почве различных групп и фракций гумуса, характерное для целинных почв. К основным мероприятиям, направленным на оптимизацию гумусного состояния почв, следует отнести мероприятия по борьбе с водной и ветровой эрозией почв, внесение достаточных доз органических и минеральных удобрений, введение в севообороты культур, наиболее обогащающих почву органическим веществом: зернобобовых и многолетних трав.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .
Источник
Гумус, состав и роль в почвообразовании, плодородии и питании растений
Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков. Содержание гумуса в почвах определяется условиями и характером почвообразовательного процесса. Оно колеблется в верхних горизонтах от 1-2 до 12-15%, резко или постепенно уменьшаясь с глубиной.
Рассмотрим запасы гумуса в основных типах почв России в слое 0-20 см (т/га).
Подзолистая — 53 Тёмно-каштановая — 99
Чернозём обыкновенный — 137 Чернозём типичный — 224
Количество и состав гумуса в почвах динамичны вследствие постоянного поступления в них органических остатков и непрерывности процессов их разложения и гумификации. Гумус, торф и подстилка содержат 2 группы соединений:
а) не гумусовые вещества органических остатков и промежуточных продуктов их разложений;
б) гумусовые вещества.
Не гумусовых веществ в гумусе обычно не более 10-15%. Лишь в торфяных горизонтах и лесных подстилках они составляют 50-80% всей массы органических соединений. Эта группа соединений представлена белками, углеводами, смолами, дубильными веществами и разнообразными продуктами их частичного разложения.
Гумусовые вещества представляют собой систему высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. Характерная особенность системы гумусовых веществ — её гетерогенность, т.е. наличие в ней различных по стадии гумификации компонентов.
На основании исследований И. В, Тюрина, М. М. Кононовой и др. учёных принято различать 2 основные группы гумусовых кислот: группу тёмноокрашенных гуминовых кислот, накапливающихся на месте своего образования, и группу фульвокислот, окрашенную в жёлтый или бурый цвет, более подвижную и относительно легко передвигающуюся по профилю почвы.
Ряд исследователей выделяют ещё гумины — комплекс гуминовых кислот и фульвокислот, очень прочно связанный с минеральной частью почвы.
Гуминовые кислоты. Они представляют собой группу веществ, извлекаемых из почвы щелочами (или другими растворителями) в виде более или менее тёмно окрашенного раствора (гуматов Na, NH4 или К) и осаждаемые кислотами в виде аморфного осадка — геля. Это высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты, растворимые в растворах щелочей, органических растворителях.
Гуминовые кислоты, извлечённые из различных почв, имеют следующий состав:
Углерод — 50-62%, водород — 2,8 — 5,8%, кислород — 31 — 39%, азот — 1,7 — 5%. Содержание этих элементов в гуминовых кислотах зависит от типа почвы, химического состава разлагающихся остатков, условий гумификации. Помимо C, H, O и N препараты гуминовых кислот содержат некоторое количество зольных элементов (P, S, Al, Fe, Si). В зависимости от степени очистки препарата их количество колеблется от 1 до 10%.
Основная масса гуминовых кислот в любой почве с РН более 5 находится в виде нерастворимых в воде органо-минеральных производных, а в почвах с кислой реакцией (РН 
Роль гумуса в почвообразовании, плодородии и питании растений. Выше уже отмечалось, что с появлением гумуса в породе она становится почвой, приобретая специфическое свойство почв — плодородие. Роль гумуса в почвенном плодородии велика и многогранна. Отметим лишь следующие моменты:
1. Гумусовые вещества содержат в ядре и боковых цепях азот и ряд зольных элементов (Ca, K, S, P и др.), имеющих важное питательное значение для растений. При разложении гумуса эти элементы освобождаются и делаются доступными для растений. Таким образом, гумус является запасным фондом питательных веществ.
Гумусовые вещества и промежуточные продукты разложения органических остатков активно участвуют уже на первом этапе почвообразования — биологическом выветривании минералов и разрушении горных пород, выходящих на дневную поверхность. При этом из минералов извлекаются необходимые для организмов элементы питания.
2. Огромная роль принадлежит гумусу в формировании профиля почвы во всех природных зонах, причём характер этого участия в значительной степени обусловлен составом гумусовых веществ.
В тех почвах, где образуется много гуминовых кислот, которые обычно накапливаются на месте своего образования, формируется хорошо выраженный гумусовый горизонт той или иной мощности с высокой поглотительной способностью катионов. Если почва богата кальцием, гуминовые кислоты образуют гуматы кальция, участвующие в создании водопрочной и пористой зернистой структуры. Эти почвы имеют наиболее благоприятные водно-воздушные свойства и хороший питательный режим (чернозёмы).
Если в составе гумуса много фульвокислот, что характерно для почв с постоянно или временно избыточным увлажнением, эти почвы легко обедняются кальцием, Mg ++ , K + и др. основаниями, т.к. фульвокислоты образуют с ними растворимые соли, мигрирующие вниз по профилю с просачивающейся влагой. Реакция почвы становится кислой, начинается разрушение силикатов и алюмосиликатов (подзолы, краснозёмы, болотные почвы).
3. Гумусовые вещества, благодаря наличию функциональных групп, обладают большой поглотительной способностью по отношению к катионам. При этом гуминовые кислоты, образуя с Са, Мg и полуторными окислами неподвижные, устойчивые соединения, предохраняют их от вымывания (обратную роль играют фульвокислоты, способствующие выносу оснований из почвы).
4. Гуминовые кислоты благодаря своим клеящим свойствам связывают минеральные частицы, образуя почвенные агрегаты, и тем самым, играют важную роль в создании почвенной структуры и связанных с ней благоприятных физических свойств почвы.
Следует указать, что в жизни почвы — в её генезисе и развитии плодородия — огромная роль принадлежит не только гумусовым веществам, но и неразложившимся органическим остаткам. Они содержат элементы питания, освобождающиеся при минерализации и используемые растениями и микроорганизмами. Органические остатки также являются источником СО2 для растений (фотосинтез).
При использовании почв в сельскохозяйственном производстве необходимо регулировать как количество гумуса в профиле, так и изменять, если это необходимо, его состав. Нужно помнить, что сохранить почву как производственную силу можно, только обеспечив в ней определённый уровень равновесия между органической и минеральной частью.
Источник
Гумус почв и его свойства
Вы здесь
В естественных условиях гумификация растительных остатков в почве осуществляется не только микробами и дождевыми червями, но и многими другими фитосапрофагами. Они создают мелкоземистость и рыхлость, влияют на физические свойства и структуру, на химическиепроцессы, приводят к смешению химических элементов, их аккумуляции и стабилизации в форме гумусовых веществ, определяющих почвенное плодородие. Чем больше гумуса в почве, тем лучше водный, воздушный и тепловой режимы плодородного слоя, тем лучше питание растений, тем активнее идет образование нитратов и углекислоты, необходимых для фотосинтеза и фиксации атмосферного азота свободноживущими в корнеобитаемом горизонте микроорганизмами. Физико-химическое взаимодействие новообразованных гумусовых кислот с минералами предохраняет их от быстрого вовлечения в биохимический кругооборот и способствует закреплению гумуса в почве.
Органические вещества растительных остатков с помощью бактерий и червей превращаются в гумусные кислоты и фульвокислоты. В растительных остатках содержатся и так называемые зольные элементы — различные металлы, кремний и т.д. Гумусные кислоты и фульвокислоты взаимодействуют с металлами и образуют соли — гуматы и фульваты. Гуматы лития, калия, натрия растворимы, легко вымываются водой. Они же представляют наиболее ценную часть гумуса, легко доступную растениям. Гуматы кальция, магния, кремния и тяжелых металлов нерастворимы и составляют ту часть гумуса, которую можно назвать консервами почвенного плодородия. Они накапливались в черноземах весь послеледниковый период. Эти гуматы способны растворяться под влиянием ферментов корневой системы растений, но в количествах, удовлетворяющих только их потребность. Они не подвержены гидролизу, но оказывают большое влияние на создание агрономически ценной, связной, водопрочной и пористой структуры, не подверженной влиянию эрозийных воздействий.
Особо следует подчеркнуть, что гуматы тяжелых металлов еще более устойчивы к гидролизу ферментами корневой системы растений и практически не усваиваются ими. Это есть главное экологическое свойство гумуса — связывание тяжелых металлов в почве и предохранение всего живого на Земле от их токсического воздействия, в том числе от тяжелых радионуклидов! Это защитное свойство столь же важно для всего живого, как и защитное свойство озонового слоя вокруг Земли. Чем больше гумуса в почве, тем ярче выражено такое буферное свой-ство почв: пищевая и кормовая продукция, выращенная на высокогумусных почвах, является экологически чистой.
Буферное свойство гумусных почв можно проиллюстрировать следующими данными. По расчетам академика В. А. Ягодина (1990), при ежегодном сжигании в мире 33 млрд т угля вместе с золой рассеивается до 220 тыс. т урана и 280 тыс. т мышьяка (для сравнения: мировое производство этих двух металлов составляет соответственно 30 и 40 тыс. т в год). Кроме того, металлургические предприятия ежегодно выбрасы-вают на поверхность земли (с дымами) более 150 тыс. т меди, 120 тыс. т цинка, 90 тыс. т свинца, 30 т ртути, массу других металлов и многие миллионы тонн серной, соляной, азотной, фосфорной и других кислот. С выхлопными газами на поверхность почвы попадает более 250 тыс. т свинца. В процесс техногенного загрязнения окружающей среды вносит свой «вклад» и промышленность, производящая минеральные удобрения, в частности фосфорные (Р. Е. Елсшев, А. Л. Иванов, М. Шахаджахан, 1991). В почву попадают при этом все остальные элементы таблицы Д. И. Менделеева, включая кадмий, стронций, селен, фтор и т.д. и т.п. Трудно себе представить массу этих и других элементов, попавших в почву хотя бы за послевоенный период. Но вселенской катастрофы и гибели живого не произошло, отмечались лишь локальные болезни лесов, озер, и только в северных регионах Канады, Скандинавии, Сибири, где в почвах мало гумуса. Регионы с большим содержанием гумуса в почве пострадали меньше, а в странах, где производство гу-мусных удобрений освоено достаточно широко, быстро произошло оздоровление почвы, животных и людей (США, Канада, Западная Европа, Япония, страны Южной Азии и другие).
Гумус -это «хлеб для растений». В нем сосредоточено 98% запасов почвенного азота, 60% фосфора, 80% калия и содержатся все другие минеральные элементы питания растений в сбалансированном состоянии по природной технологии. В инертном гумусе пахотного слоя заключено до 87,5% энергии.
Наиболее богаты гумусом черноземы, где богатая травянистая растительность и активная деятельность микроорганизмов и дождевых червей способствуют обильному образованию гумусовых веществ, а высокое содержание глинистых минералов обеспечивает их закрепление в почве. Так формировался гумусовый фонд почвы — итоговый результат длительных (десятилетия и столетия) и разнообразных процессов разложения и консервации веществ растительного и микробного происхождения.
Запасы гумуса в почвенном покрове земли распределены неравномерно: больше всего его в черноземах луговых степей — от 400 до 700 т/га, меньше — в почвах тундр и пустынь — всего 0,6. 0,7 т/га.
Гумус не только участвует в снабжении растений азотом, фосфором, калием и другими важными макро- и микроэлементами питания, неоспорима его роль и в других важнейших процессах почвообразования и обеспечения плодородия почв, таких, как предохранение почв от выветривания, создание их гранулярной структуры, снабжение растений необходимой для фотосинтеза углекислотой, биологически активными ростовыми веществами. Поэтому сохранение и преумножение запасов гумуса — одна из первоочередных задач земледельцев.
Агрономическая ценность гумуса в значительной степени определяется соотношением содержащихся в нем гуминовых кислот и фульвокислот. При преимущественном синтезе гуминовых кислот в почвах формируется четко выраженный гумусовый горизонт, обладающий высоким плодородием. Такие почвы характеризуются водопрочной, водоемкой структурой и гидрофильностью, богаты органическими формами азота, фосфора и других элементов питания растений.
При интенсивном образовании фульватного гумуса почвы легко обедняются щелочными катионами и другими элементами, приобретают кислую реакцию среды, обеструктуриваются. Повышение плодородия этих почв связано с длительным окультуриванием и внесением больших доз биогумуса (до 100 т/га).
В гумусе сосредоточено огромное количество энергии. При расчете ее теплотворная способность гумуса для всех типов почв условно принимается равной 4000 калорий на 1 г. Из изученных почв по энергетике гумуса резко выделяется чернозем — 20000 калорий в призме сечением 1 см2 и мощностью до 300 см. Гумус других типов почв характеризуется значительно меньшими запасами энергии — 4000. 8000 калорий в том же объеме почвы. Если сравнить содержание энергии на 1 га земли, имеющем запас энергии в призме 4000 малых калорий, то общий ее запас сопоставим с 50000 л бензина, а на черноземах — 250000 л.
Огромные запасы аккумулированной в гумусе энергии играют чрезвычайно важную роль в самых разнообразных почвенных процессах;
Гумус — основной источник энергии для процессов превращения в почве минеральных соединений, биосинтетических реакций, жизнедеятельности микроорганизмов, роста и формирования растений и т.д. Черноземы, как было отмечено, характеризуются преобладающей аккумуляцией энергии в гумусе (88% суммы энергии в гумусе и растительном веществе), что хорошо согласуется с выдающимся и устойчивым плодо¬родием черноземов.
Плодородие полей и огородов напрямую связано с количеством и качеством гумуса в почвах. Наиболее богаты им черноземы. В знаменитых черноземах Центрального и Северокавказского регионов содержалось 10. 14% гумуса, а мощность слоя чернозема — до 1 м.
Хорошо изучена важная роль гумусовых веществ как физиологически активных соединений для растений. Высокогумусированные почвы отличаются более высоким содержанием физиологически активных веществ. Гумус активизирует биохимические и физиологические процессы, Повышает обмен веществ и общий энергетический уровень процессов в растительном организме, способствует усиленному поступлению в него элементов питания, что сопровождается повышением урожая и улучшением его качества.
В литературе накоплен огромный экспериментальный материал, показывающий тесную зависимость урожая от уровня гумусированности почв. Коэффициент корреляции содержания гумуса в почве и урожая составляет 0,7. 0,8 (данные ВНИПТИОУ, 1989). Так, в исследованиях Белорусского научно-исследовательского института почвоведения и агрохимии (БелНИИПА) увеличение количества гумуса в дерново-подзолистых почвах на 1% (в пределах его изменения от 1,5 до 2,5. 3%) повышает урожайность зерна озимой ржи и ячменя на 10. 15 ц/га. В колхозах и совхозах Владимирской области при содержании гумуса в почве до 1% урожай зерновых в период 1976-1980 гг. не превышал 10 ц/га, при 1,6. 2% составлял 15 ц/га, 3,5. 4% — 35 ц/га. В Кировской области прирост гумуса на 1% окупается получением дополнительно 3. 6 ц зерна, в Воронежской — 2 ц, в Краснодарском крае — 3. 4 ц/га.
Еще более существенна роль гумуса в увеличении отдачи при умелом применении химических удобрений, эффективность его при этом увеличивается в 1,5. 2 раза. Однако необходимо помнить, что химические удобрения, внесенные в почву, вызывают усиленное разложение гумуса, что приводит к снижению его содержания.
Практика современного сельскохозяйственного производства показывает, что повышение содержания гумуса в почвах является одним из основных показателей их окультурирования. При низком уровне гумусовых запасов внесение одних минеральных удобрений не приводит к стабильному повышению плодородия почв. Более того, применение высоких доз минеральных удобрений на бедных органическим ве¬ществом почвах часто сопровождается неблагоприятным действием их на почвенную микро- и макрофлору, накоплением в растениях нитра-тов и других вредных соединений, а во многих случаях и снижением урожая сельскохозяйственных культур.
Источник