Органическое вещество почвы классификация

Органическое вещество почвы классификация

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

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