Органическая часть почв, ее состав и свойства

В почве содержится некоторое количество органического вещества. В органогенных (торфяных) почвах оно может преобладать, в большинстве же минеральных почв его количество не превышает нескольких процентов в верхних горизонтах.

В состав органического вещества почвы входят как растительные и животные остатки, не утратившие черт анатомического строения, так и отдельные химические соединения, называемые гумусом. В составе последнего находятся как неспецифические вещества известного строения (липиды, углеводы, лигнин, флавоноиды, пигменты, воска, смолы и т. д.), составляющие до 10−15% всего гумуса, так и образующиеся из них в почве специфические гумусовые кислоты.

Гумусовые кислоты не имеют определённой формулы и представляют собой целый класс высокомолекулярных соединений. В советском и российском почвоведении они традиционно разделяются на гуминовые и фульвокислоты.

Элементный состав гуминовых кислот (по массе): 46−62% C, 3−6% N, 3−5% H, 32−38% O. Состав фульвокислот: 36−44% C, 3−4,5% N, 3−5% H, 45−50% O. В обоих соединениях присутствуют также сера (от 0,1 до 1,2%), фосфор (сотые и десятые доли %). Молекулярные массы для гуминовых кислот составляют 20−80 кДа (минимальная 5 кДа, максимальная 650 кДа), для фульвокислот 4−15 кДа. Фульвокислоты подвижнее, растворимы на всём диапазоне pH (гуминовые выпадают в осадок в кислой среде). Отношение углерода гуминовых и фульвокислот (Cгк/Cфк) является важным показателем гумусового состояния почв.

В молекуле гуминовых кислот выделяют ядро, состоящее из ароматических колец, в том числе азотсодержащих гетероциклов. Кольца соединяются «мостиками» с двойными связями, создающими протяжённые цепи сопряжения, обуславливающие тёмную окраску вещества[5]. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, в том числе углеводородного и полипептидного типов. Цепи несут различные функциональные группы (гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминогруппы и др.), что является причиной высокой ёмкости поглощения — 180—500 мг-экв/100 г.

О строении фульвокислот известно значительно меньше. Они имеют тот же состав функциональных групп, однако более высокую ёмкость поглощения — до 670 мг-экв/100 г.

Механизм формирования гумусовых кислот (гумификация) до конца не изучен. По конденсационной гипотезе (М. М. Кононова, А. Г. Трусов) эти вещества синтезируются из низкомолекулярных органических соединений. По гипотезе Л. Н. Александровой гумусовые кислоты образуются при взаимодействии высокомолекулярных соединений (белки, биополимеры), затем постепенно окисляются и расщепляются. Согласно обеим гипотезам в этих процессах принимают участие ферменты, образуемые преимущественно микроорганизмами. Есть предположение о чисто биогенном происхождении гумусовых кислот. По многим свойствам они напоминают тёмноокрашенные пигменты грибов.

Всё это огромное многообразие специфических гумусовых веществ делят условно (по их свойствам) на три большие группы — гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин — или, иначе, это — гуминовые соединения. По-другому гуминовые соединения называют по аналогии с солями (от производных кислот): гуматы и фульваты, подчеркивая тем их происхождение. Но все их можно объединить — у них сходные свойства, все они соли кислот. Или, по-другому сказать, это химические соединения гуминовых и фульвокислот с минералами (химическими элементами почвы). Все они, конечно разные — как и разные кислоты, их образующие. Основное отличие фульвокислот от гуминовых — их резко выраженная кислая реакция (рН 2,6 -2,8). При такой реакции фульвокислоты растворяют большинство минералов, связывая их, и выносят питательные вещества в нижележащие слои, чем снижают почвенное плодородие для растений; их соли практически не доступны для растений. Но это частности.

Образование гумуса — очень сложный процесс биологических и биохимических превращений остатков растительного (а также животного) происхождения в почве, главным образом в третьем, заключительном слое листового и травяного опада — гумусовом горизонте. Вспомните, я описывал это на примере листового опада леса. Но это не ответ на вопрос. Давайте всё же попытаемся разобраться и понять природу образования гумуса с самого начала.

Для этого следует вспомнить «пищевые цепи» превращений органических веществ в поверхностном слое почвы (в её листовом и травяном опаде). Сначала в этом процессе участвуют микроорганизмы, способные использовать и усваивать («переваривать») легкодоступные органические соединения (сахар, крахмал и т. п.). То, что они не смогли «съесть» (труднодоступные комплексные соединения: целлюлозу, лигнин, жиры и растительные белки) поедают другие группы микробов и организмов, способные это делать, обладающие более мощным ферментами. К ним подключаются грибы, у которых ферментативный аппарат ещё мощнее — их ферменты способны растворить и расщепить практически все органические соединения растительного происхождения; они довершают процесс разрушения детрита. Все эти группы (и микробы, и грибы) по способу питания — осмотрофы; они всасывают растворённые («переваренные» под действием их ферментов) вещества всем своим телом, у них нет пищеварительных органов.

Растения и животные принимают большое участие в почвообразовании.

Растения, пронизывая корнями верхний слой почвообразующей породы, извлекают из ее нижних горизонтов питательные вещества и закрепляют их в синтезированном органическом веществе. Вследствие разложения растительных остатков в почве накапливается перегной, имеющий огромное значение в плодородии почвы. Растительные остатки в почве являются необходимым питательным субстратом и важнейшим условием развития многих почвенных микроорганизмов.

Животные в процессе своей жизнедеятельности значительно ускоряют разложение органических веществ. Видную роль играют черви, жуки, личинки, а также и норные животные, такие как кроты, мыши, суслики, сурки, и пр. Многократно перерывая почву они способствуют смешиванию органических веществ с минеральными, а также повышению водои воздухопроницаемости почвы, что усиливает и ускоряет процессы разложения в почве органических остатков. Также они обогащают почвенную массу продуктами своей жизнедеятельности. Растения и животные принимают большое участие в выветривании горных пород.

В последнее время установлена выдающаяся роль микроорганизмов в деле почвообразования, особенно бактерий и сапрофитных грибков. Число их достигает сотен тысяч и даже миллионов на 1 см² почвы в её верхнем слое. Принадлежа к разряду аэробных или анаэробных, микроорганизмы производят всевозможные продукты окисления, раскисления, нитрификации, денитрификации и т. п., особенно при известной комбинации влажности, температуры и пр.; служат простыми разносчиками кислорода и других газов; играют роль фермента и т. д. Наиболее изучены нитрифицирующие бактерии Nitrosоmonas (переводит аммиак в азотистую кислоту) и Nitrobacter, окисляющий азотистую кислоту в азотную (Шлезинг, Мюнц, Виноградский и др.). Вообще, большинство физико-химических процессов, совершающихся в почве, в настоящее время приписывается деятельности почвенных микроорганизмов. Почвенным микроорганизмам принадлежит основная роль в формировании плодородия почвы. Большую часть микроорганизмов составляют бактерии.

Одни почвенные микроорганизмы разлагают внесенную в почву органику, способствуют образованию гумуса, делают доступными для растений питательные вещества, другие связывают атмосферный азот, синтезируют органические соединения, следующие переводят эти соединения в формы доступные растениям. Почвенные микроорганизмы переводят фосфор в растворимое состояние, даже разлагают минералы, и в первую очередь практически неисчерпаемые глинистые минералы, доставляя растениям всю «таблицу Менделеева». Некоторые растения неспособны нормально развиваться без определенной микрофлоры. В результате жизнедеятельности полезных почвенных микроорганизмов почва становится структурной, рассыпчатой.

Срок жизни бактерий и иных почвенных микроорганизмов может быть очень короток — от дней до нескольких часов. Если есть питание, тепло и влажно — они очень быстро размножаются, и очень быстро отмирают если «корм» закончился. Но их биомасса и продукты жизнедеятельности составляют тот самый «питательный бульон» для растений, в который входят не только простые соединения для питания растений, но и аминокислоты, витамины, ауксины, антибиотики и многие другие питальные вещества и стимуляторы роста растений.

Большинству полезных почвенных микроорганизмов наиболее благоприятна слабокислая и нейтральная реакция почвы ph 6,5−7,0 при наличии влаги, воздуха и тепла в диапазоне приблизительно 15−30°C. Для питания почвенных микроорганизмов небходима органика. Есть два пути поступления органики в почву — корневые выделения растений с послеуборочными остатками и внесение органики в почву извне, ввиде компоста, навоза, сидератов и т. п.

Рано весной в почве мало почвенных микроорганизмов. Желательно быстро восстановить их численность используя органические удобрения, настои навоза, эффективные микроорганизиы ЭМ, мульчирование почвы органикой (только после прогрева почвы).

Корневые выделения. Растения не остаются в долгу перед микроорганизмами — живые растения кормят почвенные микроорганизмы своими корневыми выделениями, а не только отмирающими послеуборочными остатками, хотя корни тоже составляют около трети массы растения. Татьяна Угарова приводит цифру — до 20% всей массы растений составляют корневые выделения. В состав корневых выделений входят органические кислоты, сахара, аминокислоты и многое другое. По Т. Угаровой сильное растение обильно кормит почвенные микроорганизмы, при этом происходит массовое размножение ризосферной (корневой) полезной микрофлоры. Причем растения стимулируют развитие преимущественно такой микрофлоры, которая питает растения, вырабатывает стимуляторы роста растений, подавляет вредную растениям микрофлору.