Органическое вещество почвы

Основная часть органического вещества почвы (85-90%) представлена специфическими высокомолекулярными гумусовыми соединениями. Принято подразделять специфические гумусовые вещества на три основные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины [1].

Исключительно важная роль органического вещества в формировании почвы в значительной степени основана на их способности взаимодействовать с минеральной частью почвы. Образующиеся при этом органо-минеральные соединения – обязательный комплекс любой почвы. Образованию органо-минеральных соединений в почве способствует высокая биологическая активность, обеспечивающая поступление в систему реакционно-способных органических веществ.

2. Гумус, его состав.

 

Органические вещества твердой части почвы подразделяются на две большие группы: негумифицированные и гумифицированные вещества. Негумифицированные (подвижные) органические вещества – это отмершие, но еще не разложившиеся или полуразложившиеся остатки растений (корни) и микробов (животных). На площади 1 га в почву ежегодно поступает 5-10 т растительных остатков и 0,7-2,4 т продуктов жизнедеятельности микроорганизмов [4]. Негумифицированные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества не полностью минерализуются. Одновременно в почве идет синтез новых очень сложных органических веществ, которые служат источником для образования гумусовых, или перегнойных, веществ.

Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомолекулярные азотсодержащие соединения специфической природы. Они составляют основную часть (90 %) органического вещества почвы. Гумус представляет собой аккумулятор энергии Солнца на планете.

Гумус является сложным комплексом высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений, образовавшихся при разложении и гумификации растительных остатков.

Конденсационную (полимеризационную) концепцию образования гумуса разрабатывали в разные годы А.Г. Трусов, М.М. Кононова, В. Фляйг. В соответствии с этой концепцией формирование гумусовых веществ рассматривается как процесс постепенной поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ.

Концепция биохимического окисления предложена И.В.Тюриным, она получила развитие в работах Л.Н. Александровой. Согласно этой концепции гумификация – сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов разложения органических остатков в гумусовые вещества. Ведущее значение при этом имеют реакции медленного биохимического окисления.

Биологические концепции гумусообразования 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.

Наряду с вышеперечисленными существует еще ряд концепций, объясняющих процесс гумификации, однако до настоящего времени все они не имеют достаточного экспериментального подтверждения.

Почвенный гумус состоит из следующих основных групп органических веществ:

- гуминовые кислоты;

- фульвокислоты;

- гумины;

- органо-минеральные производные гумусовых кислот.

Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи, образующиеся при разложении отмерших растений и гумификации, окрашенные в черный или коричнево-черный цвет.

Гуминовые кислоты в зависимости от типа почвы включают от 30% до 43% углерода, от 32%до 42% - водорода, от 17,5 % до 22 % - кислорода, от 2,4 % до 3 % азота. Они содержат также фосфор, серу и другие элементы.

Способность к почвообразованию у функциональных групп гуминовых кислот обусловлена свойством образования гуматов с основными щелочными элементами. Гуматы как правило хорошо растворимы в воде и легко мигрируют по почвенному профилю с током атмосферных осадков. Не растворимые в воде гуматы калия и магния образуют в почве водопрочные гели, за счет клеящей и цементирующей способности которых формируется водопрочная структура почвы [1]. Основная масса гуминовых кислот представлена гелями, прочно связанными с минеральной частью почвы.

Фульвокислоты – гумусовые вещества желтой или красноватой окраски, которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из почвы и выпадения в осадок гуминовых кислот. Как и гуминовые кислоты, они входят в гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот. Фульвокислоты содержат: от 27 до 30 % углерода, от 34 до 42 % водорода, от 25 до 30 % кислорода и от 1,4 до 2,5 % азота.

Взаимодействуя с минеральной частью почв, фульвокислоты образуют соли – фульваты, растворимые и выносимые водой. В случае образования большого количества органо-минеральных производных фульвокислот может увеличиваться подвижность минеральных компонентов и, следовательно, потери их за счет выноса с током вод. При техногенном загрязнении почв образование органо-минеральных производных играет исключительно важную роль, так как этот процесс способствует связыванию токсинов и загрязнителей.

Часть гумусовых веществ настолько прочно связана с минеральной частью почвы, что, не извлекается при обработке почвы щелочами и кислотами. Эти «нерастворимые» составляющие гумуса называются гуминами. В тяжелых глинистых почвах нерастворимые образования составляют более 50 % гумуса. Они представлены комплексом гуминовых, фульвокислот и их органо-минеральных производных, прочно связанных с минеральной частью почвы. Значит, на сорбционные способности гумуса и степень его разложения влияет гранулометрический состав почвы.

Гумифицированные вещества почвы более устойчивы к микробиологическому разложению, чем негумифицированные соединения. В гумусе содержится около 5 % азота, от 1,5 до 2,4 % фосфора. В дерново-подзолистых почвах на органические соединения приходится 40 % фосфора и 90 % серы от общего содержания этих элементов в почве. Разложения гумуса, как одного из основных банков почвенных микроэлементов, происходит медленно, что способствует эффективному их усвоению, но скорости гумусоразложения могут достигать и значительных величин – 0,7-1,5 т/га в год.

 

1.3. Свойства и функции гумуса.

Гумус осуществляет в почве тройственную функцию: физическую, химическую, биологическую.

Физическая функция – это создание водопрочной почвенной структуры, что обеспечивает благоприятную циркуляцию воды, воздуха, нужную температуру и предопределяет хороший рост корней в почве. Принято говорить, что гумус придает связность легким почвам, разрыхляет плотные почвы.

Химическая функция заключается в том, что гумус является хранилищем элементов питания. Многие питательные вещества связаны с гуминовыми кислотами в органоминеральной форме, находятся в обменном состоянии и усваиваются растениями непосредственно из этих форм. Кроме того, в результате деятельности микроорганизмов гумус постепенно разлагается (минерализуется), освобождая, заключенные в нем азот, фосфор, калий и другие элементы [2].

Биологическая функция гумуса – это создание благоприятных условий для развития и деятельности микроорганизмов.

Накопление различных органических и органо-минеральных форм гумусовых веществ является итогом почвообразующих процессов. Одновременно сами гумусовые вещества оказывают сильное воздействие на дальнейшее направление почвообразовательного процесса и свойства почв, осуществляя также функции в почвообразовательном процессе [2]:

1. Формирование специфичного почвенного профиля, образование структуры, улучшение водно-физических свойств, увеличение поглотительной способности и буферности почвы [4,9].

2. Источник минеральных элементов питания для растений, органического питания для гетеротрофных организмов. Воздействие на биологическую и биохимическую активность почв. Источник СО₂ в приземном слое воздуха и воздействие на продуктивность фотосинтеза. Источник биологически активных веществ в почве, что непосредственно стимулирует рост и развитие растений, мобилизирует элементы питания (ферменты, витамины, природные ростовые вещества и др.).

3. Санитарно-защитные функции:

гумус ускоряет разрушение пестицидов, закрепляет загрязняющие вещества (сорбция, создание комплексов) и тем самым снижает их поступление в растения.

 

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

 

2.1. Влияние природных условий на характер и скорость гумусообразования.

Многообразие природно-климатических условий предопределяет различия в гумусообразовании. Характер и скорость гумусообразования зависят от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются: водно-воздушный и тепловой режимы, гранулометрический состав, физико-химические свойства почвы, состав и характер поступления растительных остатков, видовой состав микрофлоры и ее активность.

В различных географических зонах количество отмершего органического вещества, его состав, интенсивность микробиологического преобразования изменяются. Поэтому количество и качество гумуса, мощность гумусовых горизонтов в разных почвах неодинакова.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразования протекает в аэробных или анаэробных условиях. При влажности почвы 60-80 % от полной емкости и температуре 25-30 ⁰С разложение растительных остатков протекает весьма интенсивно. Промежуточные продукты разложения органического вещества быстро минерализуются, высвобождается значительное количество элементов минерального питания, но гумуса накапливается мало. То есть в таких условиях процессы минерализации доминируют над процессами гумификации.

При постоянном и значительном недостатке влаги количество растительного опада невелико, процессы трансформации замедлены [7]. Это приводит к накоплению гумуса в небольших количествах.

При постоянном избытке влаги (анаэробные условия) процессы гумусообразования замедляются, особенно если избыток влаги сочетается с низкими температурами. В разложении растительных остатков участвуют анаэробные бактерии. Промежуточные продукты разложения содержат много низкомолекулярных органических кислот и восстановленных газообразных продуктов. Эти соединения подавляют микробиологическую активность, в результате чего разложение растительных остатков замедляется, происходит скопление полуразложившихся остатков, частично сохранивших анатомическое строение.

Наибольшее количество гумуса в почвах накапливается при сочетании оптимального гидротермического режима с периодически повторяющимся не очень сильным иссушением. Такие условия создаются при формировании черноземов.

Таблица 1

Средние показатели количества гумуса в некоторых типах почв.

 

Почвы	Гумус, %	Углерод в % от общего содержания в почве		Отношени С:Н в гуминовых кислотах
		Гуминовых кислот	Фульвокислот
Подзолистые	1,0-4,0	12-20	25-28	11
Дерновые и дерново-карбонатные	5,0-18,0
Дерновоново-подзолистые	0,4-1,5
Серые лесные	3,0-9,0	25-30	25-27	17
Бурые лесные	4,0-10,0
Черноземы		35-40	16-20	21
Оподзоленные	6,0-10,0
Типичные	10,0-14,0
Южные	4,0-6,0

 

На гумусообразование значительное влияние оказывает состав растительных остатков и характер их поступления в почву. Так, остатки травянистой растительности богаты белками, углеводами и зольными элементами. Основная часть их попадает непосредственно в почву в виде корней, их разложение происходит при тесном контакте с почвенными частицами в присутствии значительного количества оснований, прежде всего кальция.

Основная группа микроорганизмов – бактерии. В таких условиях образуется высококачественный мулевый («мягкий») гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть почвы. Мулевый гумус также образуется под лиственными лесами, хотя растительный опад в этом случае попадает на поверхность почвы [3,7].

Остатки древесной растительности бедны белками, содержат мало зольных элементов, но обогащены лигнином, восками, смолами, дубильными веществами. Поступают они преимущественно на поверхность почвы, и разложение их осуществляется грибной микрофлорой. При разложении такого опада образуется значительное количество легко передвигающихся с током воды вниз по профилю органических кислот. Нейтрализации их не происходит из-за недостатка оснований, процессы гумификации подавлены кислой реакцией. В таких условиях формируется модер («грубый») гумус, в составе которого преобладают фульвокислоты [5,8].

Таким образом, в почвах накапливается различное количество гумуса (от 0,2 до 12 % и более), существенно различающегося по качеству. Качество гумуса определяют по соотношению гуминовых и фульвокислот в его составе. Различают следующие типы гумуса:

гуматный (более 1,5%),

фульфатно-гуматный (1-1,5%),

гуматно-фульватный (1-0,5%)

фульватный ( менее 0,5%) [7].

Значительное влияние на гумусообразование оказывают гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы. Песчаные и супесчаные почвы имеют хорошую аэрацию, быстро прогреваются. В этих почвах органические остатки интенсивно разлагаются, образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются.

В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения растительных остатков происходит значительно медленнее, гумусовых веществ образуется больше и они хорошо закрепляются на поверхности минеральных частиц.

Гумусонакопление зависит не только от количества образовавшегося гумуса, но и от условий его закрепления в почве. Большую роль в этом играет кальций, так как для почв, насыщенных кальцием, характерна нейтральная реакция среды, благоприятная для развития бактерий. В этих почвах образуется много нерастворимых гуматов кальция. Наряду с этим закреплению гумуса способствует наличие в почвах глинистых минералов.