Органические и минеральные вещества почв

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. 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 Cолнца на планете.

Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот и гуминов.

Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические цик­лы и алифатические цепи. Они извлекаются из поч­вы щелочами и некоторыми другими растворителями с образованием темно-окрашенных растворов гуматов натрия, калия и аммония. Молекулярная масса гуминовых кислот измеряется десятками тысяч атомных единиц массы. 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. Гуминовые кислоты содержат также фосфор, серу и другие элементы.

Химическими и физико-химическими методами (рентгендефрактометрия, электронная микроскопия, спектрофотометрия и др.) установлено, что основными структурными единицами гуминовых кислот являются ароматические “ядра”, в том числе азотсодержащие гетероциклы, боковые цепи и периферические функциональные группы: карбоксильные – СООН, гидроксильные и фенольные ОН, метоксильные – О-СН3. карбоксильные =С=0, хинонные С=0. Боковые цепи гуминовых кислот представлены углеводными, аминокислотными и другими остатками.

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.

В структуре фульво-, как и гуминовых кислот, установлены ароматические и алифатические группы. Однако ароматическая часть в их молекулах выражена менее ярко и в основном преобладают боковые цепи, т. е. алифатические, углеводные и амино­кислотные компоненты. По составу фульвокислоты раз­личных типов почв менее разнообразны и они лучше растворяются в воде, чем гуминовые кислоты.

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.

Гумифицированные вещества почвы более устойчивы к микробиологическому разложению, чем негумифицированные соединения. Однако разложение гумуса в почве, хотя немедленно, но происходит. На полях, занятых зерновыми культурами, за вегетационный период разлагается 0,7–0,8 т/га гумуса, пропашными – 1,0–1,2 т/га с образованием доступного растениям минерального азота, фосфора, серы. 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. На степень разложения гумуса влияет гранулометрический состав почвы, содержание гумуса в ней и т. д. Систематическое внесение органических и минеральных удобрений обеспечивает сохранение и накопление запасов гумуса в почве.

Главная особенность химического состава почв – присутствие органических веществ, особенно гумусовых, разнообразие форм различных элементов и их непостоянство во времени. Минеральная часть обычно 80-90% массы почв (в органогенных – 10% и менее). По сравнению с литосферой в почве в 20 раз больше углерода и в 10 раз – азота, что связано с деятельностью микроорганизмов. В почве меньше металлических элементов вследствие процессов выветривания и почвообразования, хотя в целом почвы наследуют геохимические черты исходного почвообразующего материала.

Органическое вещество почв первичным источником имеет автотрофы, преимущественно зеленые растения. Они дают от 1-2 в тундре до 30-35 т/га сухого органического вещества во влажных тропических лесах в год, в агросистемах – 3-9 т/га. Почти все органическое вещество перерабатывают микроорганизмы, и конечный продукт – минеральные соединения.

Источники органического вещества в почве

Основным источником органического вещества в почве служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве в на ее поверхности большое количество органического вещества – растительный опад. В почву поступают не только органические остатки отмерших растений, но и продукты их микробиологической трансформации. 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). При сельскохозяйственном использовании в почву поступает растительных остатков от 2-3 т/год (пропашные культуры) от 7-9 т/год (многолетние травы). Практически все органическое вещество почвы подвергается микробиологической обработке, конечными продуктами которой являются минеральные соединения. Промежуточные продукты такой трансформации – гумусовые вещества, их производные, органические вещества негумусовой природы.

Растительный опад различается не только количественно, но и качественно. В хвойных лесных ценозах основная часть опада, поступающая непосредственно на поверхность почвы, содержит много лигнина, дубильных веществ, восков, смол. Такой опад разлагается преимущественно грибной микрофлорой так как грибы принимают самое активное участие в разложении грубых органических остатков, поступающих в почву.

Растительный опад широколиственных лесов богаче белком, углеводами, минеральными веществами. В его разложении принимает участие как грибная, так и бактериальная микрофлора.

В травянистых формациях более половины растительного опада поступает непосредственно в почву с отмершими корнями растений. Корни травянистой растительности отмирают ежегодно. Такой опад богат белком, углеводами, целлюлозой. Основной группой микроорганизмов, разлагающий такой опад, являются бактерии.

Источником органических веществ в почве служат также отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные, населяющие почву, но первичный и основной источник органического вещества, их которых образуются гумусовые вещества, - остатки зеленых растений в виде корней и наземного опада.

Химический состав поступающих в почву органических веществ

Химический состав поступающих в почву органических остатков во многом зависит от типа отмерших растений (табл.7).

Большую часть массы поступающих в почву органических веществ составляет вода. На ее долю приходится до 75 – 90% массы. В состав сухого вещества входят углеводы, белки. жиры воски, смолы, липиды, дубильные вещества и многие другие соединения. Все это высокомолекулярные органические вещества. Так, молекулярная масса белков колеблется в пределах 10 5 – 10 6 ,полисахаридов до 10 6 .

Помимо органических соединений органические остатки содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, хлор.

Зола древесных растений богаче кальцием, травянистых – калием. Содержание кремнезема колеблется от 10 до 70%, фосфора – от 2 до 10% от массы золы.

Микроэлементы встречаются в весьма малых количествах. Это бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, медь и др.

Наибольшей зольностью обладают злаковые и бобовые растения, наименьшей – древесина хвойных пород.

Трансформация органических остатков в почве

Трансформация органических остатков в почве – сложный, многоступенчатый процесс. Схематически он может быть представлен следующим образом (рис.16). Органические остатки. попадая в почву. разлагаются при непосредственном участии микроорганизмов. Этому способствует огромная населенность почв микрофлорой. Населяющие почву животные тоже способствуют превращению органических остатков. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, перерабатывают.

В процессе разложения растительные остатки теряют свое анатомическое строение, животные ткани и отмершие клетки микроорганизмов также подвергаются разложению и используются в качестве питательного материала новыми поколениями микроорганизмов.

При разложении растительных остатков их органические вещества превращаются в более подвижные и простые соединения ( промежуточные продукты разложения) Часть этих соединений полностью минерализуется микроорганизмами, то есть разлагается до элементов минерального питания, угликислого газа и воды. Продукты распада используются новыми поколениями зеленых растений как источник питания.

Часть промежуточных продуктов разложения органических остатков потребляет другая группа микроорганизмов для построения вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов.

Еще часть промежуточных продуктов разложения органических остатков потребляет другая группа микроорганизмов для построения вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов.

Еще часть промежуточных продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные соединения – гумусовые вещества. Этот процесс носит название гумификации.

Процессы разложения и минерализации растительных остатков осуществляются при участии окислительных ферментов, выделяемых микроорганизмами. При участии ферментов происходит гидролитическое расщепление сложных молекул белков, углеводов, липидов с образованием промежуточных продуктов разложения. Так, белки расщепляются на пептиды, а затем на аминокислоты, углеводы – на простые сахара и органические кислоты (уксусную, янтарную и др.), спирты. Дубильные вещества относительно устойчивы к разложению микроорганизмами, вступая во взаимодействие с белковыми веществами, образуют сложный нерастворимый комплекс. Таким образом они закрепляют в почве белковые соединения. Жиры разлагаются до глицерина и жирных кислот, а при более глубоком разложении – до поли- и моносахаров. При недостатке кислорода развиваются различные типы брожений и образуются недоокисленные продукты (метан, спирт, органические кислоты).

Скорость разложения и минерализация различных соединений неодинакова. Сравнительно быстро разлагаются растворимые сахара, крахмал, белки; несколько медленнее – целлюлоза и гемицеллюлоза, а наиболее устойчивы к разложению лигнин, воски, смолы, дубильные вещества.

Одновременно с процессами разложения органических веществ идут процессы гумификации, в результате чего образуются относительно устойчивые к разложению гумусовые вещества. Процесс гумификации – это совокупность сложных биохимических и физико- химических процессов, итогом которых является превращение органических веществ в специфические органические вещества – гумус.

Гумусом называется сложный комплекс высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений, образовавшихся при разложении и гумификации растительных остатков.

Процесс гумификации настолько сложен, что современная наука не выработала единых взглядов на его характер. Существуют несколько концепций, с той степенью достоверности объясняющих образование гумуса.

Конденсационную (полимеризационную) концепцию 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.

Гумусовые кислоты, образовавшиеся в почве, не являются инертными. Они вступают во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, а также минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные гумусовых кислот.