Органическое вещество твердой фазы почвы

Органическое вещество твердой фазы 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

Химический состав твердой фазы почвы

Твердая фаза автоморфных почв является преобладающей по массе и преимущественно состоит из минеральных — 80-90 % и меньшей мере — 10-15 % — органических веществ. Минеральная часть сформировалась из минеральных геологических пород и содержит первичные и вторичные минералы, оксиды, соли, элементы и соединения, образовавшиеся в процессе выветривания и почвообразования.

Химический состав твердой фазы почвы является одной из основных ее характеристик.

Д.С. Орлов (1985) по абсолютному содержанию в почвах все элементы объединил в несколько групп:

1. Включает кремний и кислород, содержание которых составляет десятки процентов, а в сумме они могут составлять 80-90 % и более почвенной массы.

2. Включает AI, Fe, Ca, Mg, K, Na, C содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов.

Первые две группы – типичные макроэлементы.

3. Количество элементов выражается сотыми и десятыми долями. Это Ti, Mg, N, P, S, H, (по содержанию они составляют переходную группу к микроэлементам).

4. Микроэлементы и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количествах n∙10 -3 — n∙10 -10 , к ним относятся Ва, Sr, В, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Se и др. элементы.

Приведенная концентрационная группировка химических элементов, составляющих почву, наиболее простая и не единственно возможная. Она полезна при выявлении роли отдельных элементов в формировании почвенной массы и удобна при выборе методов химического анализа почв. Концентрационная группировка при решении многих почвенных задач оказывается довольно условной.

Так, макро- и микроэлементы формально различают по уровням их содержания в почвах или в живых организмах. При таком подходе микроэлементами называют такие элементы, которые нужны в малых (микро-) количествах, но при этом они выполняют важные физиологические функции. Например, железо и магний для почв – типичные макроэлементы, так как их содержание находится в пределах единиц процента, но в живых организмах – это типичные микроэлементы, входящие в состав гемоглобина или хлорофилла. Учитывая это, учеными предложено к микроэлементам относить те химические элементы, которые независимо от уровня их содержания выполняют в живых организмах функции инициаторов и активаторов биохимических процессов.

Итак, в почвах содержатся практически все элементы периодической системы Д.Н. Менделеева. Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Остальные элементы называют минеральными или зольными.

Макроэлементы– широко распространенные в природе химические элементы, необходимые растениям для питания в больших количествах.

Кремний входит в состав минералов (кварц, силикаты), определяет гранулометрический состав почв. Поглощается растениями из раствора. Обычно в почвах обнаруживается незначительное количество водорастворимого кремнезема (до 10-50 мг/л). С увеличением рН среды растворимость кремнезема возрастает. Так, в щелочных содовых растворах при рН 10-11, его содержание достигает 100-200 мг/л.

Углерод – основа специфических органических соединений в почве (гумуса). Входит в состав карбонатов. Содержание органического углерода колеблется от долей процента в песчаных почвах до 7 % и более в черноземах и некоторых дерновых почвах, а в торфяных достигает несколько десятков процентов.

Кислород входит в состав первичных и вторичных минералов, гумуса почвы, воды, содержится в почвенном воздухе. При дефиците свободного кислорода в почве создаются анаэробные условия.

Водород содержится в почвенной влаге, угольной кислоте, органических соединениях, в кислых солях и гидроксильных ионах. Определяет реакцию почвенного раствора. Часть водорода находится в почвенном растворе и в обменном состоянии, обуславливая актуальную и потенциальную кислотность почвы.

Азот входит в состав гумуса, органоминеральных соединений, является элементом питания растений. Накапливается в почве с органическим веществом. Азот доступен растениям в виде аммония, нитратов и нитритов.

Фосфор – составная часть органического вещества почвы, накапливается в форме кислых, средних, основных солей фосфорной кислоты с кальцием, железом, алюминием. Фосфор органических соединений переходит в доступную форму после минерализации их микрофлорой. Необходимый элемент питания растений (формирование корневой системы, качество зерна). Часть фосфора входит в кристаллическую решетку минералов (апатит, вивианит) и находится в обменом состоянии.

Сера накапливается в почве в виде сульфатов кальция, магния, входит в состав гумуса. В почвах сера представлена как органическими, так и неорганическими соединениями. Соотношение их зависит от типа почвы и от глубины залегания исследуемого генетического горизонта. Встречается в почвах и элементарная сера; она может быть продуктом трансформации серосодержащих соединений или унаследована от материнской породы.

В верхних горизонтах незасоленных почв содержание серы колеблется от 0,01-0,02 до 0,2-0,4 %. Наименьшее содержание и запасы серы свойственны малогумусным песчаным и супесчаным почвам. Наибольшее содержание и запасы характерны для торфянистых почв и торфяников. В верхних гумусовых горизонтах на долю органических соединений серы приходится до 70-80 % всех запасов серы. Доля минеральных соединений серы нарастает по мере уменьшения запасов гумуса, повышения минерализации почвенно-грунтовых вод и накопления в почвах карбонатов и гипса.

Железо и алюминий входят в состав первичных и вторичных минералов, накапливаются в форме гидроксидов и оксидов. Определяют реакцию почвенного раствора, участвуют в процессе структурообразования. Обменный и водорастворимый алюминий ухудшают минеральное питание растений, переводя фосфор в труднорастворимые фосфаты и препятствуя поглощению двухвалентных катионов. Под его влиянием ухудшается развитие корневой системы, нарушается углеводный и азотный обмен в растении.

Кальций входит в состав обменно-поглощенных катионов, накапливается в почве в форме солей – карбонатов и сульфатов. Стабилизирует реакцию почвенного раствора, закрепляет гумусовые вещества, участвует в структурообразовании, так как является эффективным коагулятором почвенных коллоидов. Содержание кальция в бескарбонатных почвах составляет 1-3 %. Растения, произрастающие на кислых и сильнокислых почвах, особенно легкого гранулометрического состава, испытывают недостаток кальция. Этот элемент имеет огромное значение как в питании растений, так и в почвообразовании.

Магний – входит в состав хлорофилла и других органических веществ. Магний способствует созданию нейтральной реакции среды. Большое количество обменно-поглощенного магния способствует осолонцеванию почв, что приводит к ухудшению агрофизических свойств. Как и кальций, магний находится в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в обменном состоянии и в форме солей – карбонатов, сульфатов, хлоридов. Дефицит магния испытывают растения, произрастающие на почвах особенно легкого гранулометрического состава.

Калий – необходимый элемент питания растений. Основная часть его находится в составе первичных и вторичных минералов и малодоступна для растений. Из биотита и мусковита растения сравнительно легко извлекают этот элемент. Калий в почвах так же содержится в почвенном растворе в виде простых солей, в обменном состоянии на поверхности почвенных коллоидов. В таких состояниях калий легко доступен растениям. Калиелюбивые культуры – картофель, корнеплоды, травы, табак, овощные культуры.

Натрий – сосредоточен главным образом в кристаллической решетке первичных минералов (натрийсодержащие полевые шпаты), присутствует в обменном состоянии и в почвенном растворе в составе водорастворимых солей Na₂СО₃, NaНСО₃, Na₂SО₄, NaCl, NaNО₃. В аридных регионах накапливается в почве в виде солей и вызывает осолонцевание и засоление почв. Почвенное плодородие снижается и при высоком содержании обменного натрия. При повышении его доли в составе обменных катионов более 10 % емкости обмена, существенно ухудшаются агрономические свойства почв, что вынуждает проводить их мелиорацию.

Микроэлементы – химические элементы, содержащиеся в почвах в микроколичествах и необходимые для полноценного развития растений. Количество микроэлементов в почве определяется их содержанием в породе. Микроэлементы входят в состав первичных и вторичных минералов, гумуса. К ним относятся медь, цинк, кобальт, бор, молибден, йод и др.

Радиоактивные элементы (калий, уран, радий, стронций, торий, цезий и др.) обуславливают естественную радиоактивность почв. Содержание радиоактивных элементов в почвах незначительно: U – 3,0∙10 -6 -5,1∙10 -4 %, Ra – 1,0∙10 -12 -1,7∙10 -10 %, 40 K – 3,9∙10 -6 -3,7∙10 -5 %. Естественная радиоактивность почв не приводит к каким-либо отклонениям в процессе развития растительных и животных организмов.

Искусственная радиоактивность почв вызывается радиоактивными изотопами, образующимися в результате атомных и термоядерных взрывов. Включаясь в биологический круговорот радиоактивные изотопы нарушают ход физиологических процессов в организмах. Наибольшую опасность представляют 90 Sr и 137 Cs, поскольку период их полураспада составляет соответственно 28 и 33 года. По своим свойствам 90 Sr близок к кальцию, а 137 Cs к калию, поэтому значительная их часть закрепляется в почвах.

Токсичные химические элементы (фтор, хлор, сера, мышьяк) — это элементы, содержание которых в значительных количествах в почвах отрицательно воздействуют на развитие растений.

Тяжелые металлы (свинец, ртуть, хром и др.), накапливаясь в почве, поглощаются растениями, что приводит к ухудшению качества продуктов питания, когда их содержание превышает санитарные нормы. Тяжелые металлы прочно удерживаются коллоидными комплексами почв, поэтому их концентрация в растворе невелика.

Содержание и свойства некоторых элементов представлены в таблице 11.

Среднее содержание элементов в почвах, мг/кг

по М.Б. Киркхэму (Орлов Д.С., 1992)

Продолжение таблицы 11

Итак, выделяются следующие особенности химического состава твердой фазы почв:

1. Полихимизм. Почва содержит большой набор элементов: в почвах практически все входящие в их состав химические элементы в той или иной степени являются обязательными и необходимыми.

2. Разнообразные формы соединений отдельных элементов. Один и тот же элемент представлен несколькими соединениями, а одно и то же вещество может быть в различных кристаллических или аморфных состояниях.

3. Высокое содержание С и Si, что отражает одновременное влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира, с одной стороны, и почвообразующих пород – с другой.

4. Большой диапазон концентраций.

5. Непостоянство (динамичность) состава во времени.

Эти особенности химического состава почв подчеркивают самостоятельную химическую природу почв, отличающую ее от горной породы. Химический состав почв постоянно изменяется в соответствии с непрерывностью процессов выветривания и почвообразования.

Оценивая роль отдельных элементов в почвообразовании, выделяют группу элементов, играющих конституционную роль, то есть тех элементов, которые входят в структуру решетки минералов или молекул тех компонентов, из которых реально складывается масса почвы. В первую очередь это такие элементы, как Si, Аl, О, составляющие основу почвенных силикатов и алюмосиликатов; С, Н, N, О – важнейшие компоненты органического вещества. Микроэлементы при их важнейших физиологических функциях заметной конституционной роли в почвах не играют.

Источник