Органическое вещество почв это совокупность

Органическое вещество почв это совокупность

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 ПОЧВ

Органическое вещество почв – это совокупность живой био­массы и органических остатков растений, животных, микроорга­низмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразо­ванных органических веществ почвы — гумуса (от латинского «гумус» – земля, почва).

Почвы содержат неорганические и органические вещества, в них всегда присутствуют какое-то количество остатков отмерших организмов, находящихся на разных стадиях разложе­ния, живые клетки микроорганизмов, почвенная фауна и гумус (рис. 1).

Рисунок 1. Перечень органических веществ почвы.

Органическое вещество почвы – гумус или гуминовые вещества (ГВ) – разделяют на три группы соединений: гуминовые (гумусовые) кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК ) и гумин (Г). ГВ имеют в зависимости от состава серый, бурый и черный цвета.

Классификация ГВ основана на различии в их растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три основные составляющие: гумин – неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) – растворимы в щелочах и нерастворимы в кислотах; фульвокислоты (ФК) – растворимы в щелочах и кислотах. Под термином «гумусовые кислоты» понимают сумму гуминовых кислот и фульвокислот (ГФК).

Гуминовые вещества составляют от 60 до 85% органического вещества водных и почвенных сред. Количественно средний состав органического вещества в почве отображён на рис. 2.

Рисунок 2. Состав органического вещества почвы (по Д.Шредеру, 1978, с дополнениями): в составе гумуса: 1– гумин; 2 – неспецифические вещества; 3 –фульвокислоты; 4 – гуминовые кислоты

1. Источники почвенного гумуса и гумификация

Потенциальными источниками органического вещества почв можно считать все компоненты биоценоза, которые попадают на поверхность почв или в толщу почвенного профиля и участвуют в процессах почвообразования.

Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неоди­наковы в разных природных зонах. В абсолютном большинстве наземных биоценозов зеленые растения (автотрофы) имеют наи­большую биомассу и годичный прирост (первичную продукцию), превышающую биомассу беспозвоночных животных и микроорга­низмов на один-два порядка, а позвоночных жи­вотных – на три порядка. Поэтому надземный и корневой опад и продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого формируется органическое вещество почв.

Запасы фитомассы в различных ландшафтах тундровой зоны изменяются от 150 до 2500 г/м 2 , причем корневая масса превы­шает надземную в 3–4 раза Биомасса микроорганизмов состав­ляет 10 –15 г/м 2 , почвенных беспозвоночных животных – 1– 3, а наземных позвоночных животных – около 0,01 г/м 2

В таежно-лесной зоне запасы фитомассы полновозрастных высокобонитетных лесов возрастают до 25–40 тыс. г/м 2 , при­чем корневая масса меньше надземной в 3–5 раз. Биомасса микроорганизмов в лесных почвах доходит до 30 г/м 2 ; среди них доминируют грибы. Биомасса беспозвоночных животных в подзолистых почвах составляет 2–3 г/м 2 , в дерново-подзолистых – 7–12 г/м 2 , в серых лесных почвах достигает 90 г/м 2 .

Читайте также:  Какую почву любят лилии от гибриды

Травянистая растительность степной зоны накапливает мень­шую, чем леса, фитомассу, от 1200 до 2500 г/м 2 , причем корневая масса превышает надземную в 3–6 раз. Микрофлора степных почв имеет более разнообразный видовой состав: доля грибов снижается, возрастает численность спорообразующих бактерий и актиномицетов. Количество беспозвоночных животных также не­сколько снижается, до 12–16 г/м 2 , среди них доминируют по биомассе дождевые черви. Беспозвоночные животные в степной зоне составляют 98% от общей зоомассы.

В пустынной зоне запасы фитомассы резко уменьшаются, при­чем доля корней в ее составе возрастает и соотношение надзем­ной и подземной массы становится 1/8–1/9. Уменьшается общий уровень и биологической активности почв. Однако в короткие пе­риоды поступления влаги биологическая активность почв может быть высокой.

Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы новообразования гумуса. В формирова­нии молекул гумусовых кислот принимают участие любые струк­турные химические единицы органического вещества, освобож­дающиеся в процессе трансформации отпада и опада.

В биогео­ценозах разных природных зон неодинаковые запасы и состав фитомассы определяют различия в поступлении в почву белков, углеводов, липидов и лигнина (рис. 3).

Процесс образования белка из аминокислот

Рисунок 3. Химические структурные формулы белков, углеводов, липидов, лигнинов.

Гумификация – совокупность сложных биохимических, физи­ко-химических и химических процессов превращения органичес­ких остатков в гумусовые вещества.

Образование гуминовых веществ – это второй по масштабности процесс превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·10 9 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·10 9 т углерода. Часть отмерших остатков минерализуется до СO₂ и Н₂O, остальное превращается в гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается 0,6–2,5·10 9 т углерода.

Степень изученности процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества не позволяет оформить в закончен­ном виде теорию этого процесса. Существуют следующие три группы современных концепций процесса гумификации.

Конденсационная или полимеризационная концепция (Трусов, Кононова, Фляйг) рассматривает гумификацию как про­цесс, состоящий из следующих стадий:

а) образование исходных структурных единиц – низкомолекулярных продуктов распада растительных тканей, отмерших микроорганиз­мов.

б) конденсация структур­ных единиц, осуществляемая путем окисления фенолов фермен­тами типа фенолоксидаз до хинонов, и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами;

в) поликонденсация (полимери­зация) – химический процесс, характеризующий заключительная стадия процесса гумификации.

Концепция биохимического окисления (Тюрин, Александрова) рассматривает гумификацию как слож­ный биофизико-химический процесс превращения высокомоле­кулярных промежуточных продуктов распада органических остат­ков (белков, лигнина, полиуглеводов, дубильных веществ и др.) в гумусовые вещества. Главное значение в этом процессе придают реакциям медленного ферментативного окис­ления, в результате которого и образуются высокомолекулярные гумусовые кислоты. В последующем они подвергаются постепен­ной ароматизации, т.е. возрастанию в их молекулах доли аромати­ческих фрагментов.

Взаимодействие гумусовых кислот с мине­ральными соединениями почвы и зольными продуктами минера­лизации органических остатков рассматривают как составное звено гуми­фикации.

Биологическая концепция рассматривает гуму­совые вещества как продукты синтеза различных микроорганизмов (Вильямс). Микробиологами экспериментально доказана возможность об­разования темноокрашенных гумусоподобных соединений раз­личными группами микроорганизмов.

Можно предположить, что процесс гумификации в различных почвах включает как реакции конденсации и полимеризации, так и биохимического окисления.

Состав уже сформировавшихся гумусовых веществ постоянно обновляется за счет включения в их молекулы органических со­единений в виде отдельных фрагментов. Такой процесс измене­ния гумусовых веществ называется фрагментарным обновлением гумуса.

Наиболее устойчивы в процессах гумификации лигнины. Высокое содержание полифенолов способствует образованию ГК, обогащенных азотом. Общие представления о процессах, сопровождающих гумусообразование в почве приведены на рис. 4

Количественной характеристикой процесса гумификации яв­ляется коэффициент гумификации (К_г), показывающий, какая доля (в %) атомов углерода органических остатков, трансформировалась в гумусовые вещества после пол­ного разложения остатков. Величина К_г колеблется от единиц до десятков процентов и зависит от состава исходных растительных остатков, гидротермических, физико-химических (рН, Eh) и дру­гих условий их превращения. Например, К_г соломистого навоза в среднем принят за 25 %.

Рисунок 4. Общее представление о процессах гумификации

Источник