Органическое вещество почвы

Соотношение между скоростью поступления растительных, животных и других органических остатков на поверхность и в толщу почвы и скоростью их разложения, гумификации и минерализации определяет количественное и качественное постоянство органической части почвы, строго определенное для различных почв, отличающихся характером почвообразовательных процессов.

Все процессы превращения органических веществ в почве протекают в присутствии воды, кислорода, и углекислоты. Основой процессов разложения является медленное биохимическое окисление органического вещества (в основном опада зеленых растений) до простых солей, воды и углекислоты.

Органическое вещество почвы можно разделить на две основные категории в зависимости от чувствительности к биологическому разложению: 1) пул легко (быстро) метаболизируемых веществ и 2) пул веществ, сравнительно устойчивых к биодеградации. Хотя оба пула органического вещества вносят свой вклад в функционирование и стабильность экосистемы, реакции, в которых задействованы легко разлагаемые вещества, имеют очень большое влияние на цикл биогенных элементов внутри экосистемы; т. е. круговорот именно этих соединений углерода обеспечивает преобладающую часть тех элементов минерального питания растений, происхождение которых связано с органическим веществом почвы. Легко метаболизируемое органическое вещество почвы — это тот органический компонент, который используется почвенными микроорганизмами как источник углерода и энергии и это происходит с минимальными затратами энергии, расходуемой на синтез ферментов катаболизма, а также на активацию молекул субстрата с целью увеличения их чувствительности к разложению.

На ранних этапах развития эмбриоземов содержание общего углерода и углерода лабильного органического вещества определяется главным образом литогенными свойствами пород, слагающих угольные отвалы техногенных ландшафтов.

Лабильное или неустойчивое органическое вещество, как правило, оценивают по его экстрагируемости различными химическими растворителями. Углерод, выделяемый водной и солевой (0,5 н K2SO4) вытяжками называют растворимым, а сумму углеродсодержащих веществ, переходящих в щелочную вытяжку (0,1 н NaOH) – подвижным углеродом. Определение растворимого углерода позволяет установить долю ОВ, способного как к поступлению в грунтовые воды при переувлажнении, так и к быстрой минерализации при наличии соответствующих условий. Для растворимого ОВ характерно короткое, от нескольких часов до нескольких суток, время полного обновления.

Следует отметить, что не все подвижное ОВ, извлекаемое раствором щелочи, является биологически активным. Значительная его часть представлена, по-видимому, компонентами, которые участвуют в формировании супрамолекулярных структур гуминовых веществ и образуют медленный пул ОВ со временем оборота от 3–10 до 100 лет. В то же время, подвижную фракцию допустимо считать ближайшим резервом потенциально минерализуемого ОВ. Легко экстрагируемое, лабильное ОВ, может быть не активным из-за недоступности почвенным микроорганизмам в силу наличия физических барьеров, а легко минерализуемое ОВ не всегда является химически лабильным.

3.Источники органического вещества в почве

По классификации Д.С. Орлова, представленной на рисунке 1,  можно выделить три основных источника поступления органических веществ в почву: растительные остатки, деятельность микроорганизмов и внесение органических удобрений.

Рисунок 1 - Система органических веществ почвы (по Д.С. Орлову)

3.1.Растительные остатки

Органические остатки представлены главным образом наземным и корневым опадом высших растений, который не утратил своего анатомического строения. Химический состав растительных остатков различных ценозов варьирует в широких пределах. Общим для них является преобладание углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнина, белков и липидов. Весь этот сложный комплекс веществ после отмирания живых организмов поступает в почву и трансформируется в минеральные и гуминовые вещества, а частично выносится из почвы с грунтовыми водами, возможно, до нефтеносных горизонтов.

В общей массе органического вещества в почвах главную, преобладающую по количеству часть составляют гумусовые вещества. Содержание их в верхнем слое (до 25 см) на 1 га колеблется в пределах от 40 т (сухого вещества) в самых бедных гумусом южных сероземах до 300 т в тучных черноземах. На втором месте стоит масса корней растений, которая составляет 3-4 т сухого вещества у однолетних культурных растений (злаков) до 10-15 т у многолетней естественной (целинной или залежной) и культурной травянистой растительности и до 20-30 т у лесной растительности. Отношение массы гумусовых веществ к массе корней может быть очень различным в зависимости от запасов гумуса в почве и от рода покрывающей ее растительности; в наиболее богатых гумусом тучных черноземах это отношение достигает 40-50, тогда как в бедных гумусом подзолистых почвах под лесами оно падает до 2.

Как показывают данные Александровой Л. Н. (табл. 1), наибольшую биомассу и годичный прирост в наземных биоценозах имеют зеленые растения (автотрофы), способные синтезировать органические вещества из минеральных соединений. Биомасса почвенных микроорганизмов и  представителей животного мира в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз уступает биомассе зеленых растений. Новых запасов органического вещества они не вносят, а перерабатывают растительные остатки, образуя вторичные формы органических веществ почвы. 

 По  данным (табл. 1), максимальная общая биомасса характерна для лесной растительности; под хвойными и лиственными лесами умеренных широт она колеблется от 100 до 400 т сухого вещества на 1 га, но основная часть этой биомассы многолетняя, и в почву ежегодно поступает 3,5 – 9,0 т сухого вещества в виде наземного опада, образующего подстилку, которая является основным источником гумуса в лесных почвах. Общий запас подстилки колеблется в широком диапазоне в зависимости от состава, возраста и густоты насаждений, а также от условий минерализации ежегодного опада. В среднем общий запас подстилки колеблется от 15 до 45 т сухого вещества на 1 га. Он минимален в широколиственных лесах, ибо условия минерализации подстилки наиболее благоприятны.

    Таблица 1

Биомасса растительности в различных природных зонах,

ц/га сухого вещества (Л. Н. Александрова, 1980).

Продолжение таблицы 1

    Общая масса корней в лесах таежно-лесной зоны в среднем составляет 25 % наземной биомассы, корни в основном многолетние  и обычно не рассматриваются как  главный источник гумуса в лесных почвах. Некоторая часть корней представлена тонкими, ежегодно отмирающими волосками, равная приблизительно 30% общей массы корней, и исчисляется величинами порядка 3-5 т сухого вещества на 1 га, приближаясь к количеству корней под многими культурными растениями. В лесах влажных субтропиков и тропиков общая биомасса резко возрастает, достигая 400-500 т и более на га, а количество подстилки уменьшается, составляя 2-10 т, вследствие интенсивной минерализации опада.

     Природная травянистая растительность образует значительно меньшую общую биомассу, но она всегда однолетняя, и вся неотчуждаемая человеком часть ее полностью участвует в ежегодном цикле почвообразовательного процесса, в том числе и в гумусообразовании. Общая биомасса степной травянистой растительности колеблется от 10 т до 25 т сухого вещества на 1 га, а луговая травянистая растительность суходольных лугов, хвойных и смешанных лесов таежной зоны не превышает 10-13 т. Характерная особенность травянистой растительности – ежегодное отмирание не только надземной, но и корневой системы, оставляющей обычно в этих зонах не менее половины всей биомассы. Их количество и глубина проникновения очень разные. Общая биомасса корней под природной луговой и степной растительностью составляет в среднем от 8,5 до 20,5 т сухого вещества на 1 га. Масса корней в метровой толщине черноземов и темно-каштановых почв достигает 30 т сухого вещества на 1 га. В толще почвы она образует очень густую сетку, пронизывая весь почвенный профиль. Ежегодно отмирая, корни доставляют материал для гумусообразования практически во все участки почвенной толщи, в результате чего образуется однородный по степени гумусированности гумусово-аккумулятивный горизонт. В области пустынь общая биомасса растений снижается до 4-6 т сухого вещества на га и лишь в эфемерно-кустарниковых полупустынях равна в среднем 12,5 т. Корни здесь, глубоко проникая в почву, образуют биомассу, почти равную наземной части растений. Специфична болотная растительность, которая при общей средней биомассе живых растений, составляющей лишь десятки тонн сухого вещества на 1 га, и относительно невысоком ежегодном приросте ее образует огромные запасы органических остатков («очес») вследствие длительной консервации значительной части ежегодного прироста.

     Наименьшую биомассу для гумусообразования дают культурные растения, наземная часть которых почти полностью отчуждается человеком. Несмотря на колеблющиеся урожаи культур в зависимости от их вида, условий агротехники и природных условий, пожнивные и корневые остатки для зерновых, картофеля и овощей дают не более 50% наземной массы, что при средних урожаях составляет от 2 до 5-7 т сухого вещества на 1 га. Исключением являются многолетние травы, под которыми в почве образуется значительное количество исходного для гумусообразования материала в виде поукосных и особенно корневых остатков. В зависимости от урожая он колеблется от 7-10 до 15-25 т сухого вещества на 1 га.

3.2.Микроорганизмы и почвенная фауна

Почвенная фауна – важный фактор почвообразования, влияющий на все свойства почвы, включая ее плодородие. Деятельность почвенной фауны ускоряет гумификацию и минерализацию растительных остатков, изменяет солевой режим и реакцию почвы, повышает её пористость, водо- и воздухопроницаемость. Огромное значение для почвообразования имеет деятельность роющих почвенных животных, которая способствует углублению гумусового горизонта и перемешиванию слоев почвы, а также создаёт водопрочную зернистую структуру почвы.

Почвенные микроорганизмы разнообразны по составу и биологической деятельности. Суммарная масса микроорганизмов только в поверхностном горизонте достигает нескольких тонн на гектар. Численность микроорганизмов измеряется сотнями тысяч и миллионами в 1 г почвы. В целом, для планеты масса почвенных микроорганизмов составляет 0,01–0,1% от всей биомассы суши.

Бактерии – это одноклеточные организмы размерами в несколько сот мкм (1 мкм = 0,001 мм). Роль бактерий разнообразна. Одна из функций бактерий – усвоение ими легкоподвижных соединений, что способствует закреплению этих соединений в почве. Особенно следует отметить способность некоторых групп бактерий поглощать из воздуха молекулярный азот и переводить его в доступную для усвоения растений форму – этот процесс получил название фиксации азота. Запасы азота в атмосфере огромны, над каждым квадратным метром почвы висит столб азота весом более 7 тонн. Несмотря на то, что азот очень важен для питания растений, они не способны усваивать его из атмосферы, он может быть использован бактериями только после предварительного связывания его азотофиксирующими микроорганизмами. В почве есть две группы азотофиксирующих бактерий. Одни из них, так называемые клубеньковые, могут развиваться только на корнях различных бобовых растений, другие же свободно живут в почвенной среде. Наиболее важным представителем свободноживущих азотофиксирующих бактерий является Azotobacter, связывающий за одно лето в умеренных широтах до 30 кг азота на 1 га почвы. Деятельность клубеньковых бактерий гораздо эффективнее – в умеренных широтах при благоприятных условиях количество азота, связываемого этими бактериями, может достигать 200–300 кг на 1 га почвы.

Актиномицеты активно участвуют в разложении органического вещества. Они могут использовать любые углеводы, в том числе активно разрушают маннаны, ксиланы, пектиновые вещества, целлюлозу, каротин, хитин, могут разрывать длинные цепи жирных кислот и углеводородов. Актиномицеты — многочисленная группа микроорганизмов, но менее конкурентоспособная, чем бактерии и грибы. Они существуют в почве длительное время как покоящиеся споры и растут тогда, когда появляются доступная пища, необходимые температура (5— 10°С) и влажность. Особенно большую роль они играют в трансформации органического вещества чернозёмов. Актиномицеты наиболее активны в почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией.