Органические и органоминеральные вещества почв

Органическое вещество почвы — это совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы — гумуса (рис. 6.1).

Основная масса органических остатков поступает с наземным и корневым опадом высшей растительности и колеблется в широких пределах (см. главу 2, табл. 2.1). Состав органического вещества почвы подвержен значительным колебаниям в зависимости от их положения (табл. 6.5).

Рис. 6.1. Средний состав органического вещества почвы:

? — гумус:? — растительные остатки;? — почвенная фауна и флора.

Таблица 6.5

Состав органического вещества почв в разных природных зонах, г/м² (по М. А. Кононовой, 1963)

Химический состав биомассы в значительной степени определяет специфику образования новых органических веществ почвы — гумуса. В состав органических остатков входят белки, жиры, углеводы, воски, смолы, лигнин, растворимые углеводороды. Соотношение этих компонентов в различных видах растений и различных органах одного и того же вида неодинаково (табл. 6.6).

Таблица 6.6

Химический состав высших и низших организмов, % к сухому веществу

(по А. Е. Возбудкой, 1968)

Высокое содержание восков и смол характерно для хвои, высоким содержанием целлюлозы, лигнина, и почти полным отсутствием белков отличается древесина хвойных и лиственных пород. Многолетние бобовые травы и бактерии характеризуются повышенным содержанием белков.

В органических остатках присутствуют также зольные элементы (Са, К, Mg, Р, S, Si, Fe, Al, Мп) и многие микроэлементы (Мо, В, Ва, Sr, Си, Zn и др.).

На рис. 6.2 представлены основные группы и фракции соединений органических веществ в почве. На неразложившиеся остатки растений и животных приходится 5—10% общего содержания органического вещества почвы.

Гумус — основная часть органического вещества почвы, которое полностью утратило черты анатомического строения организмов. Его можно подразделить на две большие группы:

• 1) неспецифические органические вещества, на долю которых приходится 5—10% от общего содержания органических веществ почвы (сахара, аминокислоты, белки, дубильные вещества, органические кислоты и т. п.);
• 2) специфические новообразованные органические вещества — гумусовые вещества, которые составляют 85—90% от общего содержания органического вещества почв (гумусовые кислоты, фульвокислогы, гумин).

Рис. 6.2. Органическое вещество почвы

Гуминовые кислоты (ГК) — высокомолекулярные соединения кислой природы, имеют темный цвет от темно-бурого до темно-коричневого. Они растворяются в едких щелочах и водных растворах аммиака. Элементный состав гуминовых кислот в процентах по массе составляет: С — 50—62; Н — 3—4,5; N — 3,5—4,5; О — 32—39. В их пределах выделяют собственно гуминовые кислоты (серые), ульминовые кислоты (бурые) и растворимые в спирте (в отличие от остальных) гиматомелановые кислоты. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных, сильно окультуренных дерново-подзолистых.

Фульвокислоты (ФК) — группа гумусовых кислот; это высокомолекулярные азотосодержащие соединения желтого цвета. Хорошо растворимы в воде. Водные растворы фульвокислот имеют сильную кислую реакцию (pH 2,6 — 2,8). По сравнению с гуминовыми кислотами содержат меньший процент углерода и азота и более высокий — водорода и кислорода. Преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гумин — негидролизуемый остаток органического вещества в почве, нерастворимый в щелочах. Представляет собой комплекс гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также трудноразлагаемых компонентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц.

Процессы образования гумусовых веществ носят названия гумификации.

Гумификация — это совокупность биохимических и физико-химических процессов, в результате которых органические вещества индивидуальной природы превращаются в специфические гумусовые вещества, обладающие некоторыми общими свойствами и чертами строения.

Существенный вклад в учение образования собственно гумусовых веществ внесли отечественные и зарубежные исследователи И. В. Тюрин (1934), М. М. Кононова (1967), Л. Н. Александрова (1949,1968), Д. С. Орлов (1977), Ф. Дюшофур, Ф. Жакен, Веди (1972) и другие.

Согласно М. М. Кононовой, в процессе гумификации можно выделить несколько стадий (рис. 6.3):

• 1. Начальные стадии процесса гумификации растительных остатков идут при участии микроорганизмов и сопровождаются минерализацией части входящих в них компонентов до С0₂, Н₂0, NH₃ и др.
• 2. Все компоненты растительных тканей разлагаются до элементарных звеньев (фенольные соединения, аминокислоты, пептиды), которые и являются структурными единицами гумусовых веществ.
• 3. Стадия конденсации — конденсация структурных элементов (окисление фенолов с последующим взаимодействием с аминокислотами, пептидами).
• 4. Стадия полимеризации (ноликондексация) — химический процесс.

Рис. 6.3. Основные стадии образования гумусовых веществ (но М. М. Кононовой, 1963)

Количество и состав гумуса в почвах зависит от сочетания факторов почвообразования. Гумус почвы — динамическая система, которая постоянно обновляется за счет поступления и гумификации новых органических веществ и минерализации ранее образовавшегося гумуса.

Факторы, влияющие на образование и накопление гумуса:

• • химическая природа растительных остатков (разлагаются быстрее при высоком содержании белков, углеводов; медленнее при содержании устойчивых компонентов — восков, смол, лигнина);
• • деятельность микроорганизмов (скорость гумификации и минерализации органических веществ увеличивается с увеличением микробного населения почв и его биохимической активности);
• • гидротермические условия (наиболее благоприятные — при значении температуры воздуха 26—30°С и влажности 60—80%);
• • кислотность почвы (в восстановительной среде скорость гумификации падает и вместо гумуса накапливается торф);
• • состав минеральной части почвы (способствует закреплению гумуса в почвах)

Французским ученым Ф. Дюшофуром была предложена следующая типизация гумуса.

• 1. Гумус, образовавшийся в условиях аэрации:
  • • мор (тог) (грубый гумус) — характерна слабая трансформация растительного онада, производимая главным образом грибами, особенно актиномицетами. Слабое смешивание органической и минеральной частей, горизонт А₀ очень отчетливый и мощный;
  • • модер (moder) — трансформация растительного опада идет без образования глинисто-гумусового комплекса. Биологическая трансформация происходит под влиянием артропод в сочетании с влиянием грибов и бактерий. Наблюдается неполное смешивание органической части с минеральной. Граница между А₀ и A_t неясная;
  • • мюлль (mull) — полное включение органической части в минеральную с образованием глинисто-гумусового комплекса. Сильная биологическая трансформация под влиянием дождевых червей и бактериальной микрофлоры.
• 2. Гумус, образующийся в условиях анаэробиозиса:
  • • торф — ничтожное или слабое включение органической части в минеральную, волокнистая структура, биохимическая трансформация слабая и происходит в анаэробных условиях, гумифицировано менее 30% органического вещества;
  • • анмоор — не сплошное, но заметное включение органической части в минеральную до глубины 10—20 см, структура массивная, биохимическая трансформация сильная, гумификация интенсивная, более 30% органического вещества гумифицировано.

Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса закономерно изменяются в почвах зонального ряда. Наибольшее значение перечисленных показателей характерно для типичных черноземов лесостепной зоны. Мощность гумусового горизонта в них может достигать 1,5 м, содержание гумуса до 15% (табл. 6.7). К северу и югу от зоны распространения типичных черноземов мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса постепенно снижаются до минимальных значений.

Таблица 6.7

Географические закономерности распределения гумуса в почвах (по М. М. Кононовой, 1963).

Присутствие и накопление различных форм гумуса в почвах играет разнообразную роль как в формировании характерных признаков почвы, так и в почвообразовании, плодородии и питании растений.

• 1. Функции, связанные с генезисом почвы, формированием морфологических признаков, вещественного состава и свойств'.
• • формирование специфического органического профиля; органические вещества в результате кислой природы способствуют процессам внутрипочвенного выветривания и переходу элементов в более подвижные формы;
• • определенные группы и фракции органического вещества являются хорошими сгруктурообразователями, их присутствие улучшает физические свойства почв; почвы становятся рыхлыми, водои воздухопроницаемыми;
• • формирование сорбционных, кислотных и буферных свойств почвы.
• 2. Функции, связанные с участием органических веществ в питании растений:
  • • органические вещества служат источником элементов минерального питания, особенно азота, фосфора, серы, калия, кальция, микроэлементов);
  • • источник органического питания для гетеротрофных организмов;
  • • органические вещества служат источником углекислоты в почвенном воздухе и в приземных слоях атмосферы и влияют на продуктивность фотосинтеза;
  • • органические вещества стимулируют рост растений. Малая доза гуминовых кислот активизирует развитие корневых систем, регенерацию корней, скорость прорастания семян и поступление питательных веществ в растения.
• 3. Санитарно-защитные функции:
  • • закрепление загрязняющих веществ в почвах (сорбция, комплексообразование и т.н.), снижение их поступления в растения;
  • • влияние на скорость разложения токсических веществ и усиление их миграционной способности.

Органоминеральные вещества почвы. Органические вещества активно взаимодействуют с минеральной частью почвы. По характеру взаимодействия, согласно Л. Н. Александровой, можно выделить четыре группы таких веществ:

• 1) гетерополярные соли гумусовых кислот — гуматы и фульваты щелочных и щелочноземельных элементов;
• 2) гетерополярные соли низкомолекулярных органических веществ (щавелевой, янтарной, молочной, лимонной, уксусной и других кислот);
• 3) комплексно-гетерополярные соли. Чистые гуматы и фульваты сильных оснований встречаются редко. Поэтому в почвах образуются более сложные органоминеральные комплексные соединения;
• 4) Адсорбционные органоминеральные комплексы (алюмои железогумусовые, кремнегумусовые и глиногумусовые).

Органоминеральные вещества придают гуминовым веществам устойчивость к разложению и минерализации и обеспечивают длительное существование в течение сотен и тысяч лет.