Органическое вещество почвы. Сравнительная характеристика органического вещества почв таёжной и степной зон

    На третьем этапе превращения свежего органического вещества в почве происходит минерализация его с помощью микроорганизмов. В первую очередь минерализуются водорастворимые органические соединения, а также крахмал, пектин и белковые вещества. Значительно медленнее минерализуется целлюлоза, при разложении которой освобождается лигнин – соединение, весьма устойчивое к микробиологическому расщеплению. Конечными продуктами превращений первичного органического вещества являются минеральные продукты (С0₂, Н₂0, нитраты, фосфаты, в анаэробных условиях Н₂0 и СН₄). Кроме того, в почве накапливаются в качестве продуктов метаболизма микроорганизмов низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная, уксусная, щавелевая и др.).

    Таким образом, трансформация органических остатков в почве – сложный, многоступенчатый процесс. Схематически он может быть представлен следующим образом. 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.

    Рис. 1.1. Основные пути образования гумусовых веществ

    по М. М. Кононовой [7] 

    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 подвижные простые соединения (промежуточные продукты разложения). Часть этих соединений полностью минерализуется микроорганизмами, то есть разлагается до элементов минерального питания, углекислого газа и воды [2]. 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 (рис. 1.1). 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.

    Основная часть органического вещества почвы (85-90%) представлена специфическими высокомолекулярными гумусовыми соединениями. Принято подразделять специфические гумусовые вещества на три основные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины [1,13].

Исключительно важная роль органического вещества в формировании почвы в значительной степени основана на их способности взаимодействовать с минеральной частью почвы. Образующиеся при этом органо-минеральные соединения – обязательный комплекс любой почвы. Образованию органо-минеральных соединений в почве способствует высокая биологическая активность, обеспечивающая поступление в систему реакционно-способных органических веществ. 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 2. ГУМУС, ЕГО СОСТАВ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ 

    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 [4]. 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 Солнца на планете.

    Гумус является сложным комплексом высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений, образовавшихся при разложении и гумификации растительных остатков.

    Конденсационную (полимеризационную) концепцию образования гумуса 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. 
 
 
 

2.1. Состав гумуса

    Почвенный гумус состоит из следующих основных групп органических веществ:

гуминовые кислоты;

фульвокислоты;

гумины;

органо-минеральные производные гумусовых кислот.

    Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи, образующиеся при разложении отмерших растений и гумификации, окрашенные в черный или коричнево-черный цвет. Эти кислоты практически нерастворимы в воде и минеральных кислотах, но хорошо растворимы в щелочах, аммиаке, соде, пирофосфате натрия с образованием коллоидных растворов темной окраски (от вишневой до темно-коричневой и черной). Из растворов эти кислоты хорошо осаждаются водородом минеральных кислот, солями алюминия, железа, кальция, магния в виде аморфного студнеобразного осадка. Они извлекаются из почвы щелочами и некоторыми другими растворителями с образованием темноокрашенных растворов гуматов натрия, калия и аммония. 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. Они содержат также фосфор, серу и другие элементы [14,17]. Основу молекулы гуминовой кислоты образует ароматическое ядро, сформированное ароматическими и гетероциклическими кольцами типа бензола или фурана. Ароматические кольца соединены между собой в рыхлую сетку. Боковые периферические структуры молекулы – алифатические цепи. Ядро молекулы гуминовой кислоты отличается гидрофобными свойствами, боковые цепи – гидрофильными. Конституционная часть молекулы гуминовой кислоты – функциональные группы: карбоксильные и фенолгидроксильные, определяющие кислотный характер и способность к катионному обмену. Функциональные группы определяют и обуславливают процессы взаимодействия гуминовых кислот с минеральной частью почвы [5,18].

    Способность к почвообразованию у функциональных групп гуминовых кислот обусловлена свойством образования гуматов с основными щелочными элементами. Гуматы как правило хорошо растворимы в воде и легко мигрируют по почвенному профилю с током атмосферных осадков. Не растворимые в воде гуматы калия и магния образуют в почве водопрочные гели, за счет клеящей и цементирующей способности которых формируется водопрочная структура почвы [14]. Основная масса гуминовых кислот представлена гелями, прочно связанными с минеральной частью почвы [16,18].

    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 фульвокислот ароматические группы выражены менее ярко. В них выражены боковые цепи, что при реакции и образовании солей не дает образовываться структурным почвенным комплексам. По составу фульвокислоты личных типов почв менее разнообразны и они лучше растворяются в воде, чем гуминовые кислоты, кроме того обладают большим количеством функциональных групп боковых цепей при мене выраженном ядре. Благодаря этому они энергично разрушают минеральную часть почвы, причем степень их разрушительного действия определяется уровнем содержания гуминовых кислот. Гуминовые кислоты как бы ингибируют агрессивность фульвокислот.

    Взаимодействуя с минеральной частью почв, фульвокислоты образуют соли – фульваты, растворимые и выносимые водой. В случае образования большого количества органо-минеральных производных фульвокислот может увеличиваться подвижность минеральных компонентов и, следовательно, потери их за счет выноса с током вод. При техногенном загрязнении почв образование органо-минеральных производных играет исключительно важную роль, так как этот процесс способствует связыванию токсинов и загрязнителей.

    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. Они представлены комплексом гуминовых, фульвокислот и их органо-минеральных производных, прочно связанных с минеральной частью почвы. Значит, на сорбционные способности гумуса и степень его разложения влияет гранулометрический состав почвы.

    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, например гели. Взаимодействия могут осуществляться путем сорбции гумусовых веществ минеральными соединениями твердой фазы почвы, путем образования простых или комплексных солей. Образование органо-минеральных производных придает стабильность гумусу, способствует его аккумуляции, накоплению микро- и макроэлементов, образованию почвенных агрегатов.