Классификация органических веществ почвы

Классификация органических веществ почвы

Органические вещества почвы.

Рис. 3.3. Классификация органических веществ почвы (по Д. С. Орлову).

На долю органических веществ приходится, как уже отмечалось выше, 5-95% общей массы твердой фазы почв. Их количественный и качественный состав определяет практически все агрономически ценные свойства почв. Набор различных органических соединений, входящих в состав почв, очень велик, их содержание в почвах меня­ется в широких пределах — от нескольких процентов до следовых количеств — и определяется в основном процессами почвообразо­вания.

Классификация органических веществ почвы

В настоящее время органическим веществом почвы называют всю совокупность органических соединений, присутствующих в почве, за исключением веществ, которые входят в состав живых организ­мов (рис. 3.3).

Все органические вещества по своему происхождению, харак­теру и функциям делятся на две группы: органические остатки и гумус. Первую из них составляют остатки животных и растений, не утратившие исходного анатомического строения; в почвенных гори­зонтах Ai-С это, в основном, остатки корневой системы растений.

Гумус — часть органического вещества почвы, представленная совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, за исключением соединений, входящих в состав жи­вых организмов и их остатков. Следовательно, гумус составляют индивидуальные органические соединения, а также органические соединения, находящиеся в форме органоминеральных образова­ний. В составе гумуса выделяют три группы соединений: специфи­ческие гумусовые вещества, неспецифические органические соеди­нения и промежуточные продукты распада и гумификации. Третья группа включает в себя продукты частичного разложения органи­ческих остатков, которые по сумме признаков еще не могут быть отнесены к специфическим гумусовым веществам, но уже не явля­ются веществами, характерными для живых организмов. Специфи­ческие вещества и неспецифические гумусовые соединения образу­ются в результате протекания процессов образования почв. Поэтому их содержание и состав полностью определяются условиями почво­образования.

Неспецифические гумусовые соединения синтезируются в жи­вых организмах и поступают в почву в составе растительных и жи­вотных остатков. Специфические гумусовые вещества образуются непосредственно в почве в результате протекания процессов гуми­фикации. Среди них выделяют прогуминовые вещества, гумусовые кислоты и гумин.

Гумин, или негидролизуемый остаток, — это та часть органиче­ского вещества почвы, которая не растворима в кислотах, щелочах и органических растворителях.

Прогуминовые вещества сходны с промежуточными продукта­ми распада органических остатков. Их присутствие обнаруживает­ся при детальном фракционировании выделенных из почвы препа­ратов.

Гумусовые кислоты — класс высокомолекулярных азотсодержа­щих оксикислот с ароматическим ядром, входящим в состав гумуса и образующихся в процессе гумификации. На основании различ­ной растворимости в воде, кислотах, щелочах и спирте гумусовые Кислоты подразделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты.

Гуминовые кислоты — группа темно-окрашенных гумусовых ки­слот, растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах.

Гиматомелановые кислоты — группа гумусовых кислот, раство­римых в этаноле.

Фульвокислоты — группа гумусовых кислот, растворимых в во­де, щелочах и кислотах.

Обычно при проведении анализов гумусовые кислоты экстраги­руют из почвы растворами щелочей (0,1-0,5 н. NaOH). При подкислении щелочной вытяжки до рН (1-2) гумусовые и гиматоме­лановые кислоты выпадают в осадок. В растворе остаются только фульвокислоты. При обработке образовавшегося осадка этанолом гиматомелановые кислоты переходят в спиртовой раствор, окра­шивая его в вишнево-красный цвет.

Группу гуминовых кислот разделяют на две подгруппы: чер­ные (серые) и бурые гуминовые кислоты. Гуминовые кислоты, обо­гащенные углеродом (преимущественно в черноземных почвах), в отечественной литературе называют черными, а в зарубежной — се­рыми. Черные и бурые гуминовые кислоты могут быть разделены методом высаливания: при обработке 2 н. раствором NaCl черные гуминовые кислоты коагулируют и выпадают в осадок.

3.6.2. Неспецифические органические соединения в почвах.

Основное количество неспецифических органических веществ по­ступает в почву с растительным опадом и остатками корневой си­стемы растений.

Химический состав остатков живых организмов в различных экосистемах имеет общие черты, хотя количественное содержание отдельных компонентов изменяется в широких пределах. Среди неспецифических органических веществ, поступающих в почву с остатками растительного происхождения, преобладают углеводы, лигнин, белки и липиды (табл. 3.6).

Таблица 3.6.

Среднее содержание основных органических компонентов rjв остатках некоторых растений, %(мас.) на сухое беззольное ве­щество.

Углеводы. Общее содержание углеводных компонентов в почвах колеблется от 5-7 до 25-30% от общего количества органических веществ, но их преобладающая часть находится в связанной форме. Углеводы входят в состав гумусовых кислот и гумина.

Свободные углеводы (не связанные с гумусовыми кислотами) активно участвуют в химических превращениях. Они образуют комплексные соединения с ионами тяжелых металлов, вступают во взаимодействие с глинистыми минералами или подвергаются про­цессам минерализации.

В почвах встречаются представители всех классов углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Последние соста­вляют главную массу углеводов во всех органических остатках и наиболее устойчивы в почвах. Среди важнейших полисахаридов, встречающихся в почвах, следует назвать целлюлозу, крахмал, хи­тин.

Лигнин. В общей массе органических соединений, поступающих в почву, доля лигнина составляет 15-30%. Лигнин— один из наибо­лее устойчивых к разложению компонентов растительных тканей. Его углеродный скелет сходен со скелетом ароматических продук­тов деструкции гумусовых кислот, поэтому многие исследователи относят его к основным гумусообразователям. В основе строения макромолекулы лигнина лежит фенилпропановое звено (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Структурные ядра молекул: 1 — фенилпропановое звено; 2—n-кумаровый спирт; 3 — конифериловый спирт; 4

В качестве заместителей в ароматическом кольце могут быть атомы и группы: -Н, -ОСНз,- в пропановой цепочке -ОН, -О-, =С=0 и др. Соотношение структурных единиц в лигнинах раз­личного происхождения неодинаково. В древесине хвойных растений преобладают конифериловые структуры, в лиственных — синаповые (сиреневые), в травянистых растениях — n-кумаровые.

Белки. Важнейшими неспецифическими азотсодержащими ве­ществами, которые обнаруживаются в почвах в свободном состо­янии, являются белки. Помимо них следует назвать аминокисло­ты, аминосахара, нуклеиновые кислоты, хлорофилл, амины. Тер­мин «свободное состояние» несколько условен, так же как и в от­ношении углеводов и других соединений. Он означает только тот факт, что то или иное соединение не входит в состав специфиче­ских гумусовых веществ. Большая часть таких «свободных» форм адсорбирована на поверхности глинистых минералов или образует нерастворимые соединения с минеральными компонентами почв.

Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов белки расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются.

Липиды. В группу липидов включают все вещества, извлекае­мые из почвы органическими растворителями. Главными компонен­тами спирто-бензольного экстракта, извлекаемого из почв, обычно являются воск и смолы.

Доля липидов в составе органического вещества минеральных горизонтов почв колеблется от 2-14 до 10-12% от его общего содер­жания. В органогенных горизонтах Aq и торфах липиды накапли­ваются в значительно больших количествах (до 15-20%).

Накопление липидов в гумусовых горизонтах почв обычно антибатно степени гумификации и содержанию гуминовых кислот. В серых лесных, черноземных, каштановых почвах с высокой степе­нью гумификации органического вещества доля липидов минималь­на (2-4%). В тундровых подзолистых и полупустынных почвах она повышается в 2-3 раза.

Источник

Классификация 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