Источники органических веществ 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
29. Источники органического вещества почвы и их химический состав
К источникам органического вещества почвы относят все компоненты, которые поступающие на поверхность почв или в толщу почвенного профиля после завершения жизненного цикла. Это органические остатки растений, микроорганизмов и почвенных животных. Растительные остатки поступают в почву в виде наземного и корневого опада, масштабы которого существенно варьируют в зависимости от природной зоны. Растительный опад 1 т/га до 55 т/га.
Природные экосистемы различаются не только масштабами поступления в почву растительного опада, но и характером его местоположения (сверху, снизу почвы).
Количественная оценка микроорганизмов как источника органического вещества почв довольно проблематична.
Таким образом, главный источник органического вещества почвы — растительные остатки в виде наземного и корневого опада.
Большую роль в пахотных почвах играют органические удобрения.
Органические остатки, поступающие в почву, на 75. 90 % состоят из воды. В состав сухого вещества входят разнообразные органические соединения, а также зольные элементы, преимущественно кремний, железо, алюминий, калий, кальций, магний, фосфор и сера.
Химический состав растительного опада зависит от биоценоза(био состав среды).
Главная особенность химического состава органических удобрений заключается в том, что они содержат в своем составе гумусовые вещества.
30.Система органических веществ почвы
Органическое вещество почвы подразделяют на две группы: органические остатки и гумус (рис.). Неразложившиеся остатки составляют 5. 10% от общего содержания органического вещества почвы. Гумус, составляет до 90. 99% от общего содержания органического вещества почвы. Гумусом почвенный раствор образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. В составе гумуса различают промежуточные продукты распада и гумификации, неспецифические органические соединения и специфические гумусовые вещества.
Неспецифические органические или индивидуальные органические-к этой группе относятся лигнин, целлюлоза, белки, липиды, углеводы и другие соединения.
В большинстве случаев органические кислоты находятся в почве в виде солей, так как активно взаимодействуют с минеральной частью почвы. Их содержание достигает 30…40% от всей суммы водорастворимых органических веществ. Особенно активно образуются низкомолекулярные органические кислоты при разложении лесных подстилок, а также в анаэробных условиях.
вещества неспецифической природы. Часть из них усваивают микроорганизмы, частично они разлагаются до конечных продуктов, а часть включается в процесс гумификации и трансформируется в специфические гумусовые вещества.
Специфические гумусовые вещества представлены гумусовыми кислотами, негидролизуемым остатком и прогуминовыми веществами.
Негидролизуемый остаток (гумин) представляет собой ту часть гумуса почвы, которую не удается экстрагировать разбавленными растворами щелочей, кислот или органическими растворителями.
Источник
Источники органического вещества почвы
Источниками органического вещества почвы являются: растительные остатки (листья, стебли и корни растений), зеленые удобрения и навоз. Все эти растительные вещества очень сильно различаются по скорости разложения. Некоторые из них являются сочными и нежными и разлагаются очень быстро, оставляя в почве мало органического вещества; другие — деревянистые и грубые — разлагаются медленно и долго сохраняют в почве запасы органического вещества. Блер и Ваксман дают следующую классификацию источников органического вещества почвы и скорости их разложения:
1. Зеленые удобрения разлагаются быстро, освобождают содержащиеся в них азот и фосфор для питания растений и оставляют в почве мало органического вещества.
2. Отходы животноводства, такие, как сушеная кровь, рыбные отходы и мясокостная мука, также разлагаются быстро; азот этих отходов переходит в доступную для растений форму, и в почве остается мало органического вещества.
3. Стойловый навоз является идеальным источником органического вещества. Часть содержащихся в нем минеральных элементов питания и азота освобождается быстро, а часть органического вещества остается в почве; однако экономически выгодные дозы навоза слабо повышают содержание органического вещества в почве (автор).
4. Компосты из растительных остатков представляют собой превосходные источники органического вещества, если в них содержится достаточное количество азота, чтобы обеспечить активное разложение. Компоста являются слишком дорогими для внесения их под полевые культуры (автор).
5. Стерня растений и такие растительные отходы, как солома, кукурузные стебли, хвоя сосны, медленно разлагаются в почве. Они имеют низкое содержание азота и должны находиться в почве некоторое время, прежде чем будет высеяна последующая культура, а во многих случаях, когда в почву заделывают такие растительные отходы, желательно вносить под эту культуру и минеральные азотные удобрения.
6. Торф и лесную подстилку нужно считать только источниками органического вещества, потому что они отличаются низким содержанием фосфора и калия, а содержащийся в них азот очень медленно переходит в усвояемую форму. Они являются слишком дорогими для внесения их под полевые культуры (автор).
В процессе разложения органическое вещество медленно отдает содержащиеся в нем элементы питания; в состав его наряду с элементами, входящими в состав обычных минеральных удобрений, входят также и микроэлементы. Внесение больших количеств хорошо перепревшего органического вещества не представляет опасности. Поэтому органическое вещество служит прекрасным источником элементов питания в цветоводстве и тепличном хозяйстве. В том случае, когда тепличные культуры не могут быть обеспечены достаточным количеством навоза, можно приготовить превосходный искусственный перегной, смешивая минеральные азотные удобрения с листьями, сорняками, соломой зерновых культур, испорченным сеном и другими отходами. Смесь из 38-50 кг натриевой селитры, сульфата аммония, цианамида кальция или эквивалентного количества других форм азота и 1 т сухого вещества отходов укладывают плоскими кучами высотой 1,2-1,8 м, в которых быстро происходит разложение и за короткое время образуется хороший источник органического вещества. Кучи должны быть плоскими, чтобы дождевая вода впитывалась, а не стекала с них.
Для приготовления искусственного органического удобрения рекомендовалось применять суперфосфат, известь и хлористый кальций, однако представляется сомнительным, чтобы эти удобрения настолько повышали скорость разложения, чтобы оправдать затраты на них.
В Айове запашка растительных остатков и сидеральных культур давала более высокие урожаи кукурузы, чем безотвальная глубокая вспашка, оставляющая растительную массу на поверхности почвы (табл. 118). Запашка растительных остатков повысила урожай кукурузы в среднем на 10,8 ц/га по сравнению с безотвальной обработкой, оставляющей растительную массу на поверхности почвы. Густота стояния кукурузы была лучше при заделке растительных остатков в почву, чем при оставлении их на поверхности после безотвальной вспашки. В некоторых опытах при безотвальной вспашке вес одного растения кукурузы был ниже даже при меньшей густоте стояния растений.
Источник