Органическое вещество почвы: состав, строение, процессы преобразования органических веществ в почве, образование гумусовых веществ.

Содержание органического вещества в гумусовом горизонте целинных автоморфных почв различных природных зон колеблется от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных почвах до 13-15% в черноземах лесостепной зоны. На преобладающих площадях пахотных угодий России в пахотном слое его содержание составляет всего лишь 2-5%. С глубиной содержание органического вещества в профиле почв резко или постепенно снижается до десятых долей процентов. Однако практически все генетические, агрономические свойства и режимы почв в той или иной степени связаны с содержанием и составом органического вещества. Состав органического вещества почв.Качественный состав органического вещества почв очень разнообразен, что определяется разнообразием растительных и животных остатков, ежегодно поступающих в почву, условиями их трансформации и взаимодействия с минеральной частью почв. По составу органическое вещество почв можно разделить на три части. 1. Источники гумуса - свежие, неразложившиеся вещества растительного и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву в виде наземного и корневого опада растений, остатков животного происхождения, в том числе микроорганизмов, состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.). 2. Детрит - промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы. Содержат много неспецифических веществ. 3. Гумусовые вещества специфической природы: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы. Состав источников гумуса определяется видом растительных и животных остатков; детрита - видом растительных и животных остатков и условиями разложения и гумификации; гумусовых веществ - условиями гумификации и взаимодействия с минеральной частью почвы. Понятием "гумус" объединяются весьма разнокачественные вещества, полностью утратившие черты анатомического строения организмов. Основную массу гумуса составляют гумусовые веще­ ства. Некоторая часть его (единицы и десятки процентов) всегда представлена гумифицированным детритом и неспецифическими веществами. Разнокачественность включаемых в гумус веществ создает затруднения в интерпретации ряда свойств гумуса. Исходя из функциональных свойств и способности к трансформации, вполне логично в одну группу объединять две первые части - источники гумуса и детрит - под общим названием легкоразлагаемое (лабильное) органическое вещество. В эту же группу входят и практически все виды внесенных в почву органических удобрений (различные виды навоза, компосты и др.). Гумусовые вещества, как наиболее устойчивые к разложе­ нию, следует относить к стабильной (трудноразлагаемой) части органического вещества. Состав и свойства гумусовых веществ.Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную, полидисперсную систему высокомолекулярных, азотсодержащих, ароматических органических соединений кислотной природы. В их составе выделяют три группы: гуминовые кислоты, фульвокисло­ ты и гумин, или негидролизуемый остаток. Качественное соотношение этих групп характеризует групповой состав гумуса. В составе групп выделяются фракции, отличающиеся друг от друга некоторыми свойствами (растворимость, молекулярная масса, элементный состав и др.). Количественное соотношение фракций характеризует фракционный состав гумуса. Гуминовые кислоты- группа темно-окрашенных (от бурой до черной) гумусовых кислот (бурые, серые, гиматомелановые), которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных растворов гуминовые кислоты осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух-, трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы. Ядро молекулы представлено ароматическими или гетеро­ циклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой углеродными, аминокислотными и другими цепочками и мостиками 0-, -N-, -СН2-, -С-С-) и образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат функциональные группы, преимущественно карбоксильные ( -СООН) и фенолгидроксильныс (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, которые предопределяют кислотную природу этих соединений. Водород функциональных групп способен замещаться на металлы. При этом образуются соли гуминовых кислот - гуматы. Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов, которая составляет при нейтральной реакции 300-700 мг-экв на 100 г препарата гуминовой кислоты; при кислой - несколько снижается, а при щелочной - возрастает до 800-1000 мг-экв. В элементном составе гуминовых кислот содержится: С- 50-62%; О- 31-40%; N- 2-5%; Н- 3-5%. Значительная часть азота находится в труднодоступной для растений форме. Кроме того, в составе препаратов всегда содержится 1-5% зольных элементов (Si, Al, Fe, Р и др.), даже после тщательной их очистки. Молекулярная масса гуминовых кислот может достигать десятков и сотен тысяч единиц. Фульвокислоты- группа светло-окрашенных (от желтой до бурой) гумусовых кислот (креновые, апокреновые), сходных по составу и строению с гуминовыми кислотами, но имеющих ряд существенных отличий: - более выраженная периферическая часть молекулы и, в меньшей степени, ароматическая ядерная, более низкие молекулярные массы; - хорошо растворяются не только в щелочных растворах, но и в кислотах и в воде, на чем основано их отделение от гуминовых кислот в щелочных растворах; - в элементном составе - меньше С (40-52%), но больше кислорода (40-48%), примерно, такое же как у гуминовых кислот содержание азота и водорода, но гидролизуемого азота больше; - больше карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп и более высокая емкость катионного обмена (до 1000 и более мг-экв на 100 г препарата); - обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части почв. При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются соли - фульваты. Водные растворы фульвокислот обладают очень кислой реакцией (рН 2,6-2,8). Гумины (негидролизуемый остаток) - совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, очень прочно связанных с минеральной частью почв. При выделении гуминов из почвы и разрушении этих связей происходит гидролитическое расщепление молекул гуммновых и фульвокислот, что не позволяет детально изучить состав этой группы соединении. Гидролитическое расщепление молекул происходит при выделении и очистке препаратов гу миновых кислот и фульвокислот под действием кислот и щелочей. Прямых методов изучения состава и свойств гумусовых веществ, исключающих разрушение связей с минеральной частью почв, практически нет. В связи с этим интерпретация результатов исследования выделенных препаратов гуммновых и фульвокислот на состав и свойства природных гумусовых веществ не всегда корректна.Прямых методов определения гумуса в почвах нет. Проводят определение содержания углерода, а в некоторых странах - азота с последующим пересчетом на гумус. По предложению И.В. Тюрина, принято, как среднее, содержание углерода в составе гумуса - 58%, по­ этому пересчетный коэффициент с углерода на гумус равен 1, 724. Однако, учитывая большую вариабельность углерода в составе гуминовых и фульвокислот, а также гуммновых и фульвокислот в разных почвах, в целях снижения ошибок, полученных за счет пересчета, многие авторы содержание и запасы гумуса представляют в виде содержания углерода.Процессы трансформации органических веществ в почвах. Гумусаобразование.Гумусообразование - процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Это процесс формирования органопрофиля почв, начинающегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчивающегося переходным горизонтом к почвообразующей породе. Г

умусообразование включает все характерные процессы формирования и эволюции органапрофиля почв: разложение поступающих в почву свежих органических веществ, их минерализацию и гумификацию, минерализацию гуму­ совых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграцию и аккумуляцию органоминеральных соединений. Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ (процесс, предшествующий минерализации и гумификации) осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уронавые кислоты и другие. Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, ча­стично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, соотношения С : N в их составе и гидратермических условий. В течение первого года разложения минерализационные потери углерода растительных остатков составляют 30-70% от исходной массы. На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная, что связано с особенностями гидратермических условий почв зонального ряда. Гумификация- образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально. Концепция биохимического окисления. Ведущее значение, согласно этой концепции, в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение - белков, лигнина, дубильных веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы. Концепция биохимической конденсации и полимеризации. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хинонов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохимический, с участием ферментов - полифенолксидаз, грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации - как чисто химический, который происходит на заключительной стадии гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с твердой фазой почв. Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества - это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв. Очевидно, что для приобретения устойчивости к разложению такие вещества должны провзаимодействовать с минеральной частью почвы. Кинетическая теория гумификации- разработана в 70-х годах Д.С.Орловым. В основе ее лежит принцип "отбора" наиболее устойчивых органических соединений в процессе гумификации. Глубина гумификации - степень преобразования растительных остатков в гумусовые вещества - характеризуется отношением С(гк) : С(фк). Она тесно связана с периодом биологической активности, что автор подтверждает тесной корреляционной связью глубины гумификации с длительностью периода биологической активности в почвах зонального ряда. Однако в почвах разных фаций (черноземы южно-европейской и восточносибирской фации) такой корреляции не наблюдается. Эта теория не применима и к почвам субтропических и тропических областей. Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х го­ дах А.Д.Фокиным. Ее суть состоит в том, что продукты разложения могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а включаются за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем - в циклические структуры. При этом периферические фрагменты обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор назвал фрагментарным. Кроме того, методом изотопных индика­ торов А.Д.Фокин показал наличие обменной молекулярной сорбции гумусовых молекул. Количественная оценка процесса гумификации. Для количественной оценки процесса гумификации используют коэффициенты гумификации (Кг) - это часть поступающих в почву органических веществ (наземный и корневой опад, органические удобрения и др.), трансформирующаяся в гумус при полном их разложении. Обычно величина Кг рассчитывается в долях или в процентах (на сухое вещество) от годового количества поступающих в почву свежих органических веществ. Однако в течение года разлагается только часть поступающих свежих органических веществ (30-70%). Остальная масса разлагается и гумифицируется в последующие годы. Поэтому для расчета Кг используют промежуток времени, измеряемый несколькими годами или даже десятками лет, включающих ряд циклов разложения и гумификации поступающих в почву свежих органических веществ. Расчетная величина Кг, таким образом, является усредненной за ряд лет. Основная трудность определения Кг заключается в отделении новообразовавшегося гумуса из учитываемых в опыте его источников от ранее образовавшегося гумуса. Решение этого вопроса, в какой-то мере, возможно с помощью изотопноиндикаторного метода. Прямое определение Кг можно проводить в безгумусных субстратах (породах) при известном количестве поступающих или вносимых в почву органических веществ за определенное время. В пахотных почвах Кг определяют в длительных опытах путем учета прибавки гумуса на делянках с известными дозами органических удобрений по сравнению с исходным его содержанием в почвах контрольных делянок (без удобрений), при одинаковых культурах и агротехни­ ке. Однако такие показатели более правильно называть коэффициентами прироста гумуса, поскольку они не учитывают количества обновляющегося гумуса. Наконец, величину Кг можно оценить по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса, сущность которого заключается в определении среднего времени пребывания (СВП) углерода в составе гумуса или его отдельных фракций по удельной активности распада 14С. Величина, обратная СВП, соответствует доле углерода, обновляющегося в среднем за 1 год, и равна величине Кг в долях от запасов гумуса, поскольку количество минерализующегося гумуса в зрелых почвах равно ко­ "0~еству разлагающегося. Зная величину ежегодного опада, несложно рассчитать Кг в долях от массы годового опада. Точное определение Кг усложняется тем, что разные группы, фракции и даже отдельные фрагменты молекулы гумусовых веществ обладают разной устойчивостью к разложению. Длительность существования разных составных частей гумуса может раз- личаться на порядок или даже на несколько порядков. Поэтому величина Кг может зависеть от длительности периода его определения. Разные подходы к определению Кг в значительной степени объясняют большие колебания их значений, приводимых в лите­ ратуре, от О до 40-50% массы источников гумуса. Поэтому использование Кг для расчета баланса гумуса с целью регулирования уровня гумусированности дает большие погрешности. Разложение и минерализация гумусовых веществ. Установлено, что гумусовые вещества подвержены процессам разложения, обновления и минерализации. Скорость этих процессов значительно ниже, по сравнению со скоростью разложения и минерализации источников гумуса. Многие исследователи объясняют высокую устойчивость гумусовых веществ к разложению особенностями строения их молекул. Однако, тот факт, что в свободном состоянии в условиях земной поверхности гумусовые кислоты в значительных количествах не накапливаются, позволяет полагать, что основной причиной устойчивости является степень прочности их связи с минеральной частью почв. Методом радиоуглеродного датирования установлено, что среднее время пребывания углерода в составе гумуса измеряется сотнями и тысячами лет. При этом скорость обновления фульвокислот выше, чем гуминовых; гумус в верхних слоях черноземов старше, чем гумус дерново-подзолистых почв. Во всех почвах более интенсивно обновление гумуса происходит в верхней части почвенного профиля, где значительно выше биологическая активность. Способность разлагать гумусовые вещества установлена для многих почвенных организмов - грибов, актиномицетов, бактерий. С.Н.Виноградский делил микрофлору почв на две группы: - зимогенную, привносимую с растительной массой и разлагающую ее; - автохтонную, собственно почвенную, разлагающую гумусовые вещества. Для оценки скорости минерализации гумуса используется Коэффициент минерализации (Кмг) - количество минерализую­ щегося гумуса в год, выраженное в долях или процентах от общих запасов. При определении Kмг возникают такие же проблемы как и при определении Кг. Цикличность данного процесса, разновозрастиость различных групп и фракций гумуса, постоянная минерализация источников гумуса осложняют экспериментальное определение Кмг. Тем не менее, существует ряд способов примерной оценки скорости минерализации гумуса. 1. Определение Кмг изотопноиндикаторным методом. Меченые по углероду или азоту источники гумуса вносят в почву, в последующем определяя включения их в гумус и минерализационные потери. 2. Определение Кмг по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса. Этот способ аналогичен описанному выше, при рассмотрении методов определения Кг.3. Определение Кмг в условиях длительных стационарных опытов. Зная запасы гумуса в вариантах длительно парующих де­ лянок, в начале и в конце опыта рассчитывают среднегодовые потери гумуса, принимая их за Кмг. При этом не учитывается новообразованный гумус, источником которого может быть почвенная биота. Кроме того, в парующих делянках минерализация может иметь другую интенсивность, по сравнению с делянками пол сельскохозяйственными культурами. Следует также иметь ввиду. что в парующих делянках наибольшая интенсивность минерализации происходит в первые годы опыта с последующим замедлением. Это связано с тем, что в первые годы происходят потери менее устойчивых фракций гумуса. Через десятки лет состояние гумуса в парующих делянках может приближаться к квази-равно­ весному. Поэтому на величину Кмг, определенную таким способом, оказывает влияние длительность наблюдений. 4. Определение Кмг по эмиссии СО2. При определении Кмг таким способом производится учет выделяющегося углекислого газа, который образуется при разложении и минерализации органических, в том числе гумусовых, веществ. Метод имеет те же недостатки, что и предыдущий. 5. Определение Кмг по выносу азота с урожаем. Установлено. что 50-60% азота, используемого растениями, является почвенным. Остальные 40-50% азота поступают в урожай из удобрений. Таким образом, зная величину урожая и содержание в нем азота, рассчитывают количество минерализовавшегося гумуса. Этот способ определения Кмг так же обладает рядом существенных недостатков. Почвенный азот представлен не только азотом гумуса, но и, прежде всего, азотом легкоразлагаемых органических веществ. в том числе растительных остатков. Трудно поддаются учету такие статьи прихода в почву азота, как фиксация свободноживущими микроорганизмами (несимбиотическая азотфиксация), атмосферные осадки. Все это вызывает большие погрешности при определении Кмr этим способом. Величины Кмr, определенные разными методами, варьирут в очень широких пределах, от сотых долей процентов до 1-2% ю что в пересчете на массу составляет от десятков и сотен кг до 3-4 т/га. Очевидна непригодность использования мг для рас- д баланса гумуса в практических целях.

Поиск по сайту: