Органическая часть почвы представлена живыми организмами (живая фаза, или биофаза), неразложившимися, органическими остатками и гумусовыми веществами (рис. 1)
Органическая часть почвы
Рис. 1. Органическая часть почвы
Живые организмы были рассмотрены выше. Теперь необходимо дать определение органическим остаткам.
Органические остатки - это органические вещества, ткани растений и животных, частично сохранившие исходную форму и строение. При этом следует отметить разный химический состав различных остатков.
Гумусовые вещества представляют собой все органические вещества почвы, за исключением живых организмов и их остатков, не утративших тканевое строение. Общепринято подразделять их на специфические собственно гумусовые вещества и неспецифические органические вещества индивидуальной природы.
Неспецифические гумусовые вещества содержат вещества индивидуальной природы:
а) азотистые соединения, например, простые и сложные, белки, аминокислоты, пептиды, пуриновые основания, пиримидиновые основания; углеводы; моносахариды, олигосахара, полисахариды;
б) лигнин;
в) липиды;
д) дубильные вещества;
е) органические кислоты;
ж) спирты;
з) альдегиды.
Таким образом, неспецифические органические вещества представляют собой индивидуальные органические соединения и промежуточные продукты разложения органических остатков. Они составляют приблизительно 10-15% от общего содержания гумуса минеральных почв и могут достигать 50-80% от всей массы органических соединений в торфяных горизонтах и лесных подстилках.
Собственно гумусовые вещества представляют собой специфическую систему высокомолекулярых азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислой природы. По данным многих исследователей, строение молекулы гумусового соединения имеет сложный характер. Установлено, что основными компонентами молекулы являются ядро, боковые (периферические) цепочки и функциональные группы.
Полагают, что ядро представляет собой ароматические и гетероциклические кольца, состоящие из пяти- и шестичленных соединений типа:
бензола фурана пиррола нафталина индола
От ядра к периферии молекулы отходят боковые цепочки. Они представлены в молекуле гумусовых соединений аминокислотными, углеводными и другими цепочками.
В составе гумусовых веществ присутствуют карбоксильные (-СООН), фенолгидроксильные (-ОН), метоксильные (-СН3О) и спиртовые гидроксильные. Эти функциональные группы определяют химические свойства гумусовых веществ. Характерной особенностью системы собственно гумусовых веществ является неоднородность, т.е. наличие в ней различных по стадии гумификации компонентов. Из этой сложной системы выделяют три группы веществ:
а) гуминовые кислоты;
б) фульвокислоты;
в) гумины, или, точнее, негидролизуемый остаток.
Гуминовые кислоты (ГК) – темноокрашенная группа гумусовых веществ, экстрагируемая из почвы щелочными растворами и осаждаемая минеральными кислотами при рН = 1-2. Они характеризуются следующим элементным составом: содержание С от 48 до 68%, Н - 3,4-5,6%, N - 2,7-5,3%. Эти соединения практически не растворимы в воде и минеральных кислотах, из растворов ГК легко осаждаются кислотами Н+, Са2+, Fе3+, А13+. Это гумусовые соединения кислой природы, которая обусловлена карбоксильными и фенолгидроксильными функциональными группами. Водород этих групп может замещаться на другие катионы. Способность к замещению зависит от природы катиона, рН среды и других условий. При нейтральной реакции замещаются ионы водорода только карбоксильных групп. Емкость поглощения за счет этого свойства ГК составляет от 250 до 560 мг·экв на 100 г ГК. При щелочной реакции емкость поглощения возрастает до 600-700 мг·экв/100 г ГК за счет способности к замещению ионов водорода гидроксильных групп. Молекулярная масса ГК при определении различными методами изменяется от 400 до сотен тысяч. В молекуле ГК наиболее четко представлена ароматичная часть, масса которой преобладает над массой боковых (периферических) цепочек.
Гуминовые кислоты не имеют кристаллической структуры, основная масса их находится в почве в виде гелей, которые легко пептизируются при действии щелочей и образуют молекулярные и коллоидные растворы.
При взаимодействии ГК с ионами металлов образуются соли, которые получили название гуматов. Гуматы NН4+, Nа+, К+ хорошо растворимы в воде и могут образовывать коллоидные и молекулярные растворы. Роль этих соединений в почве огромна. Например, гуматы Са, Мg, Fe и А1 в основном малорастворимы, могут образовывать водопрочные гели, при этом переходить в неподвижное состояние (аккумуляция), а также являются основой образования водопрочной структуры.
Фульвокислоты (ФК) - специфическая группа гумусовых веществ, растворимая в воде и в минеральных кислотах. Характеризуется следующим химическим составом: содержание С от 40 до 52%; Н - 5-4%, кислорода -40-48%, N - 2-6%. Фульвокислоты в отличие от ГК хорошо растворимы в воде, кислотах и щелочах. Растворы имеют желтый или соломенно-желтый цвет. Отсюда эти соединения и получили свое название: по-латински fulvus - желтый. Водные растворы ФК имеют сильнокислую реакцию среды (рН 2,5). Молекулярная масса фульвокислот, определенная различными методами, имеет значение от 100 до нескольких сотен и даже тысяч условных единиц массы.
Молекула фульвокислоты имеет более простое строение по сравнению с гуминовыми кислотами. Ароматическая часть этих соединений менее четко выражена. В строении молекулы ФК преобладают боковые (периферические) цепочки. Активными функциональными группировками являются карбоксильные и фенолгидроксильные группы, водород которых вступает в обменные реакции. Емкость обмена ФК может достигать 700-800 мг·экв на 100 г препаратов фульвокислот.
При взаимодействии с минеральной частью почвы фульвокислоты образуют органо-минеральные соединения с ионами металлов, а также минералами. Фульвокислоты, благодаря сильно-кислой реакции и хорошей растворимости в воде, активно разрушают минеральную часть почвы. При этом образуются соли фульвокислот, которые обладают большой подвижностью в профиле почв. Органо-минеральные соединения фульвокислот активно участвуют в миграции вещества и энергии в профиле почв, в формировании, например, отдельных генетических горизонтов.
Негидролизуемый остаток (гумины) - группа гумусовых веществ, представляющая собой остаток не растворимых в щелочах органических соединений почвы. Эта группа состоит как из собственно гумусовых веществ, например, гумины состоят из гуминовых кислот, прочносвязанных с минералами, так и из прочносвязанных индивидуальных веществ и органических остатков разной степени разложения с минеральной частью почвы.
Почва - это сложная система, состоящая из минерального и органического компонентов. Она служит субстратом для развития растений. Для успешного земледелия необходимо знать особенности и пути формирования почвы - это помогает повысить ее плодородие, т. е. имеет большое экономическое значение.
В состав почвы
входят четыре основных компонента:
1) минеральное вещество;
2) органическое вещество;
3) воздух;
4) вода, которую правильнее называть почвенным раствором, поскольку в ней всегда растворены те или иные вещества.
Минеральное вещество почвы
По чва состоит из минеральных компонентов разного размера: камней, щебня и «мелкозема». Последний принято подразделять в порядке укрупнения частиц на глину, ил и песок. Механический состав почвы определяется относительным содержанием в ней песка, ила и глины.
Механический состав почвы сильно влияет на дренаж, содержание питательных веществ и температурный режим почвы, иными словами, структуру почвы с агрономической точки зрения. Средне- и мелкоструктурные почвы, такие как глины, суглинки и алевриты, обычно более пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны лучше удерживать воду с растворенными в ней солями. Песчанистые почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества в результате выщелачивания, но их выгодно использовать для получения ранних урожаев; весной они быстрее, чем глинистые, просыхают и прогреваются. Присутствие камней, т. е. частиц диаметром более 2 мм, важно с точки зрения износа сельскохозяйственных орудий и влияния на дренаж. Обычно с увеличением содержания камней в почве уменьшается ее способность удерживать воду.
Органическое вещество почвы
Органическое вещество , как правило, составляет лишь небольшую объемную долю почвы, однако оно очень важно, поскольку определяет многие ее свойства. Это главный источник таких элементов питания растений, как фосфор, азот и сера; оно способствует формированию почвенных агрегатов, т. е. мелкокомковатой структуры, особенно важной для тяжелых почв, поскольку в результате повышаются водопроницаемость и аэрация; оно служит пищей для микроорганизмов. Органическое вещество почвы подразделяют на детрит, или мертвое органическое вещество (MOB) и биоту.
Гумус (перегной) - это органический материал, образующийся при неполном разложении MOB. Значительная часть его существует не в свободном виде, а связана с неорганическими молекулами, прежде всего с глинистыми частицами почвы. Вместе с ними гумус составляет так называемый поглощающий комплекс почвы, крайне важный почти для всех протекающих в ней физических, химических и биологических процессов, в частности для удерживания воды и питательных веществ.
Среди почвенных организмов особое место занимают дождевые черви. Эти детритофаги вместе с MOB заглатывают большое количество минеральных частиц. Перемещаясь между разными слоями почвы, черви постоянно ее перемешивают. Кроме того, они оставляют ходы, облегчающие ее аэрацию и дренаж, улучшая тем самым ее структуру и связанные с ней свойства. Лучше всего дождевые черви чувствуют себя в нейтральной и слабокислой среде, редко встречаясь при рН ниже 4,5.
Почва — сложный комплекс компонентов, находящихся в комбинации друг с другом. В состав грунта входят:
- минеральные элементы.
- органические соединения.
- почвенные растворы.
- почвенный воздух.
- органо-минеральные субстанции.
- почвенные микроорганизмы (биотические и абиотические).
Чтобы проанализировать состав почвы и определить его параметры, нужно располагать значениями естественного состава — в зависимости от этого выставляется оценка по содержанию тех или иных примесей.
В большинстве своем неорганическая (минеральная) часть почвы — это кристаллический кремнезем (кварц). Он может составлять от 60 до 80 процентов от общего числа минеральных элементов.
Достаточно большое количество из неорганических компонентов занимают такие алюмосиликаты как слюда и полевые шпаты. Сюда же можно отнести и глинистые минералы вторичной природы, например, монтмориллониты.
Большое значение для гигиенических качеств почвы монтмориллониты создают благодаря способности поглощать катионы (в том числе — тяжелых металлов) и тем самым обеззараживать почву в химическом отношении.
Также в минеральную часть почвенных компонентов входят такие химические элементы (преимущественно в виде окислов) как:
- алюминий
- железо
- кремний
- калий
- натрий
- магний
- кальций
- фосфор
Кроме того, встречаются и другие компоненты. Часто они могут быть в виде серной, фосфорной, угольной и хлористо-водородной солей.
Органические компоненты почвы
В основном органические компоненты содержатся в гумусе. Это в той или иной степени сложные органические соединения, имеющие в своем составе такие элементы как:
- углерод
- кислород
- водород
- фосфор
Значительная часть органических почвенных компонентов содержится растворенной в почвенной влаге.
Что касается газового состава почвы, то это воздух, с приблизительно таким процентным соотношением:
1) азот — 60-78%
2) кислород — 11-21%
3) углекислый газ — 0.3-8%
Воздух и вода определяют такой показатель как пористость почвы и могут составлять от 27 до 90% от общего объема.
Определение гранулометрического состава грунта
Гранулометрический (механический) состав грунта — это соотношение почвенных частиц всевозможных размеров, без учета их происхождения (химического либо минералогического). Эти группы частиц объединяют во фракции.
Гранулометрический состав почвы имеет определяющее значение при оценке уровня плодородности и других ключевых показателей почвы.
В зависимости от дисперсионности частицы грунта подразделяют на две основных категории:
1) частицы с диаметром более 0.001 мм.
2) частицы с диаметром менее 0.001 мм.
Первая группа частиц имеет происхождение от всевозможных минеральных образований и обломков пород. Вторая категория происходит при выветривании глинистых минералов и органических компонентов.
Факторы, влияющие на почвообразование
При определении состава грунта следует обращать внимание на почвообразующие факторы — они оказывают значительное воздействие на структуру и состав почвы.
Принято выделять следующие основные почвообразующие факторы:
- происхождение материнской породы почвы.
- возраст почвы.
- поверхностный рельеф грунта.
- климатические условия формирования грунта.
- состав почвенных микроорганизмов.
- человеческая жизнедеятельность, оказывающая влияние на грунт.
Кларки как единица измерения химического состава почвы
Кларк — условная единица, определяющая нормальное количество определенного химического элемента в идеальной (незагрязненной) почве. Например, в одном килограмме природно-чистой почвы должно содержаться около 3.25% кальция — это и есть 1 кларк. Уровень химического элемента в 3-4 кларка или более говорит о том, что почва достаточно сильно загрязнена этим элементом.
Из чего состоит почва? Казалось бы, простой вопрос. Все мы знаем, что это такое. Ежедневно мы ходим по ней, высаживаем в нее растения, которые дают нам урожай. Мы удобряем землю, перекапываем ее. Иногда можно услышать о том, что земля неплодородна. Но что нам известно о почве на самом деле? В большинстве случаев только то, что это самый верхний слой земной поверхности. А это не так уж и много. Давайте разберемся, из каких компонентов состоит земля, какой она может быть и как образуется.
Состав почвы
Итак, почва - это верхний плодородный Она состоит из различных компонентов. В нее, помимо твердых частиц, включают воду и воздух, и даже живые организмы. Собственно последние играют важнейшую роль в ее формировании. От микроорганизмов зависит и степень ее плодородия. В общем, почва состоит из фаз: твердой, жидкой, газообразной и «живой». Разберем, какие компоненты их формируют.
К твердым частицам относят различные минеральные вещества и химические элементы. В входит практически вся таблица Менделеева, но в различных концентрациях. От составляющей твердых частиц зависит степень плодородия земли. Жидкие компоненты также называют почвенным раствором. Это вода, в которой растворяются химические элементы. Жидкость есть даже в пустынных почвах, но ее там мизерные количества.
Итак, из чего состоит почва, помимо этих основных составляющих? Пространство между твердыми частицами заполняют газообразные компоненты. Почвенный воздух состоит из кислорода, азота, углекислого газа и Благодаря ему в земле происходят различные процессы, например дыхание корней растения и гниение. Живые организмы - грибы, бактерии, беспозвоночные и водоросли - активно участвуют в процессе почвообразования и существенно изменяют ее состав, внося химические элементы.
Механическая структура почвы
Из чего состоит почва, теперь понятно. Но однородна ли ее структура? Не секрет, что почва бывает разной. Она может быть песчаной и глинистой или же каменистой. Итак, грунт состоит из частиц разного размера. В его структуру могут входить огромные валуны и мельчайшие песчинки. Обычно частицы, входящие в почву, делят на несколько групп: глина, ил, песок, гравий. Это имеет важное значение для сельского хозяйства. Именно структура почвы определяет степень усилий, которые необходимо приложить, чтобы ее обработать. Также от этого зависит то, насколько хорошо земля будет впитывать влагу. Хорошая почва содержит в равных процентных соотношениях песок и глину. Такая земля называется суглинистой. Если песка чуть больше, то грунт рассыпчатый и легко поддается обработке. Но при этом такая почва хуже удерживает воду и минеральные вещества. Глинистая земля сырая и клейкая. Она плохо дренируется. Но при этом именно в ней содержится больше всего питательных веществ.
Роль микроорганизмов в образовании почвы
От того, из каких компонентов состоит почва, зависят ее свойства. Но не только это определяет ее качества. Из отмерших останков животных и растений в почву попадают органические вещества. Это происходит благодаря микроорганизмам - сапрофитам. Они играют важнейшую роль в процессах разложения. Благодаря их активной деятельности в почве накапливается так называемый гумус. Это субстанция темно-коричневого цвета. В состав гумуса входят эфиры жирных кислот, фенольные соединения и карбоновые кислоты. В почве частички этого вещества склеиваются с глиной. Получается единый комплекс. Гумус улучшает качества земли. Повышается ее способность удерживать влагу и минеральные вещества. В болотистой местности образование гумусовой массы протекает очень медленно. Органические остатки постепенно спрессовываются в торф.
Процесс почвообразования
Почва формируется очень медленно. Для того чтобы произошло полное обновление ее минеральной части приблизительно на глубину 1 метр, необходимо не менее 10 тысяч лет. То, из чего состоит почва, - это продукты постоянной работы ветра и воды. Так откуда же появляется грунт?
В первую очередь это частички горных пород. Именно они служат основой почвы. Под влиянием климатических факторов они разрушаются и измельчаются, оседая на землю. Постепенно эта минеральная часть почвы заселяется микроорганизмами, которые, перерабатывая органические останки, формируют в ней гумус. Беспозвоночные, постоянно прорывая в ней ходы, рыхлят ее, способствуя хорошей аэрации.
Со временем структура почвы меняется, она становится плодороднее. Также на этот процесс влияют и растения. Произрастая, они вносят в меняя ее микроклимат. На формирование почвы влияет и деятельность человека. Он возделывает и обрабатывает землю. А если почва состоит из неплодородных компонентов, то человек удобряет ее, внося как минеральные, так и органические подкормки.
по составу
Вообще, общепринятой классификации почв в настоящее время не существует. Но все же принято разделять их по механическому составу на несколько групп. Такое разделение особенно актуально в сельском хозяйстве. Итак, классификация основывается на том, насколько почва состоит из глины:
Рыхлые песчаные (менее 5%);
Связные песчаные (5-10%);
Супесчаные (11-20%);
Легкосуглинистые (21-30%);
Среднесуглинистые (31-45%);
Тяжелосуглинистые (46-60%);
Глинистые (более 60%).
Что означает термин «плодородные» почвы?
То, из каких частей состоит почва, влияет на степень ее плодородия. Но что же делает землю таковой? Состав почвы напрямую зависит от множества факторов. Это и климат, и обилие растений, и наличие живых организмов, которые в ней обитают. Все это влияет на химический От того, какие именно компоненты содержатся в почве, и зависит степень ее плодородности. Очень полезными для высокой урожайности считаются такие минеральные компоненты, как кальций, азот, медь, калий, магний, фосфор. Эти вещества попадают в землю при разложении органических остатков. Если почва богата минеральными соединениями, то она плодородна. На ней будут буйно цвести растения. Такая почва идеально подходит для выращивания овощных и плодовых культур.
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 (SiO 2) 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 О 2 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 О 2) процессы гумусообразования идут медленно при участии, главным образом, анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН 4 , H 2 S), 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 О 2), 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.
Таблица 3
Группировка почв Республики Беларусь по содержанию гумуса
|
Группы почв |
% органического вещества (от веса почвы) |
|
|
очень низкое |
||
|
повышенное |
||
|
очень высокое |
В Республике Беларусь большая часть земель относится к почвам II и III групп, около 20 % – к почвам IV группы (рис. 7).
§3. Состав и классификация гумуса
Гумус – это специфическое высокомолекулярное азотсодержащее органическое вещество кислотной природы. Составляет главную часть органического вещества почвы, которая полностью утратила черты анатомического строения отмерших растительных и животных организмов. Почвенный гумус состоит из специфических гумусовых веществ, включающих гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК) и гумин (см. рис. 6), которые отличаются по растворимости и экстрагируемости.
Гуминовые кислоты – это нерастворимые в воде, минеральных и органических кислотах темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие вещества. Они хорошо растворяются в щелочах с образованием коллоидных растворов темно-вишневой или коричнево-черной окраски.
При взаимодействии с катионами металлов гуминовые кислоты образуют соли – гуматы. Гуматы одновалентных металлов хорошо растворимы в воде и вымываются из почвы, а гуматы двух- и трехвалентных металлов в воде не растворяются и хорошо закрепляются в почвах. Средняя молекулярная масса гуминовых кислот равна 1400. Они содержат С – 52 – 62 %, Н – 2,8 – 6,6 %, О – 31 – 40 %, N – 2 – 6 % (по массе). Основные компоненты молекулы гуминовой кислоты – ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Ядро гуминовых веществ состоит из ряда ароматических циклических колец. Боковыми цепями могут быть углеводные, аминокислотные и другие цепочки. Функциональные группы представлены несколькими карбоксильными (–СООН) и фенолгидроксильными группами, которые играют важную роль в почвообразовании, так как обусловливают процессы взаимодействия гуминовых кислот с минеральной частью почвы. Гуминовые кислоты составляют наиболее ценную часть гумуса, они увеличивают поглотительную способность почвы, способствуют накоплению элементов почвенного плодородия и образованию водопрочной структуры.
Фульвокислоты – это группа гумусовых кислот, остающаяся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Это также высокомолекулярные органические азотсодержащие кислоты, в которых в отличие от гумусовых кислот содержится меньше углерода, но больше кислорода и водорода. Имеют светлую окраску (желтую, оранжевую), хорошо растворимы в воде. Соли (фульваты) также растворимы в воде и слабо закрепляются в почве. Фульвокислоты обладают сильнокислой реакцией, энергично разрушают минеральную часть почвы, вызывая развитие почвенного подзообразовательного процесса.
Соотношение между гуминовыми кислотами и фульвокислотами в разных почвах неодинаково. В зависимости от этого показателя (С ГК: С ФК) различают следующие типы гумуса: гуматный (> 1,5), гуматно-фульватный (1,5 – 1), фульватно -гуматный (1 – 0,5), фульватный (< 0,5). Качество гумуса, плодородие почвы зависят от преобладания той или иной группы. К северу и к югу от черноземов содержание гуминовых кислот в почвах уменьшается. Относительно высокое содержание фульвокислот наблюдается в гумусе подзолистых почв и красноземов. Можно сказать, что условия, благоприятствующие накоплению гумуса в почвах, способствуют и накоплению устойчивой и наиболее агрономически ценной его части – гуминовых кислот. Соотношение С ГК: С ФК имеет наибольшее значение (1,5 – 2,5) в гумусе черноземов, снижаясь к северу и к югу от зоны этих почв. При интенсивном использовании пахотных земель без достаточного внесения органических удобрений наблюдается снижение как общего содержания гумуса (дегумификация), так и гуминовых кислот.
Гумин – это часть гумусовых веществ, которые не растворяются ни в одном растворителе, представлены комплексом органических веществ (гуминовые кислоты, фульвокислоты и их органо-минеральные производные), прочно связанных с минеральной частью почвы. Это инертная часть почвенного гумуса.
Специфичность и состав гумусовых комплексов служит основой классификации типов гумуса. Р.Е.Мюллером предложена классификация лесных форм гумуса как биологической системы взаимодействия органических веществ, микробиоты и растительности. Среди этих комплексов выделяются 3 типа гумуса.
Мягкий гумус – муль образуется в лиственных или смешанных лесах с интенсивной деятельностью почвенной фауны при благоприятных гидротермических условиях и наличии достаточного количества оснований, прежде всего кальция, в подстилках и почвах, имеет слабокислую реакцию, равномерно пропитывает минеральную часть почвы и легко подвергается минерализации. В мулевых почвах почти не накапливается подстилка, так как поступающий опад энергично разлагается микробиотой. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты.
Грубый гумус – мор , содержащий большое количество полуразложившихся остатков, характерен для хвойных лесов, образуется при малом содержании зольных элементов в опаде, недостатке оснований и высоком содержании кремнезема в почве, имеет кислую реакцию, устойчив к воздействию микроорганизмов, минерализуется медленно при участии грибов. В результате медленного развития процессов гумификации и минерализации в почвах образуется мощный подстилочный торфообразный горизонтA 0 , состоящий из 3 слоев: а) слоя слаборазложившегося органического вещества (L), представляющего собой свежий опад, б) полуразложившегося ферментационногослоя (F), в) гумифицированного слоя (H).
Промежуточная форма – модер развивается в условиях достаточно быстрой минерализации растительных остатков, где значительную роль играет функциональная деятельность почвенных животных, измельчающих растительные остатки, что значительно облегчает их последующее разложение почвенной микрофлорой.
§4. Значение и баланс гумуса почвы
Накопление гумуса является результатом почвообразовательного процесса, одновременно сами гумусовые вещества оказывают большое влияние на дальнейшее направление процесса почвообразования и свойства почвы. Функции гумуса в почве очень разнообразны:
1) формирование специфического почвенного профиля (с горизонтом А), образование структуры почв, улучшение водно-физических свойств почвы, увеличение поглотительной способности и буферности почв;
2) источник минеральных элементов питания для растений (N, P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы), источник органического питания гетеротрофных почвенных организмов, источник СО 2 в приземном слое атмосферы и биологически активных соединений в почве, что непосредственно стимулирует рост и развитие растений, мобилизирует элементы питания, влияет на биологическую активность почвы;
3) выполняет санитарно-защитные функции – ускоряет разрушение пестицидов, закрепляет загрязняющие вещества, снижая поступление их в растения.
В связи с разнообразной ролью органического вещества в плодородии почв актуальное значение приобретает проблема гумусового баланса пахотных почв. Как и любой баланс, гумусовый баланс включает статьи прихода (поступление органических остатков и их гумификация) и расхода (минерализация и другие потери). В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее: баланс положительный или нулевой, в пахотных почвах чаще – отрицательный. В среднем пахотные почвы теряют около 1 т/га гумуса в год. Для регулирования количества гумуса применяют систематическое внесение достаточного количества органического вещества в виде навоза (из 1 т навоза образуется ≈ 50 кг гумуса), торфяных компостов, посев многолетних трав, применение зеленых удобрений (сидератов), известкование кислых почв и гипсование щелочных.
Гумусное состояние почв служит важным показателем плодородия и определяется системой показателей, включающих уровень содержания и запасы органического вещества, его профильное распределение, обогащенность азотом (С: N) и кальцием, степень гумификации, типы гумусовых кислот и их соотношение. Отдельные его параметры служат объектом мониторинга окружающей среды.
Loading...