Органическое вещество почвы

 

Органические вещества делятся на две группы на основании своей природы:

1. Неспецифические соединения, т.е. вещества не почвенного происхождения, а имеющие фито-, зоо- и микробиологическую природу. Поступающие в почву в процессе почвообразования.

2. Специфические гумусовые вещества появляются в почве в результате протекания процессов гумификации органических остатков. Под гумификацией понимают совокупность процессов превращения исходных органических веществ в гуминовые кислоты и фульвокислоты. К ним относится почвенный гумус – специфические соединения, вещества присущие только почвам. И гумин – вещества, которые не гидролизуются и не переходят в раствор при воздействии кислот, щелочей. Гумин - это совокупность гуминовых и фульвовых кислот (ФК и ГК) очень прочно связанных с минеральной частью почвы.

ГК по сравнению ФК содержат меньше кислородсодержащих функциональных групп и больше ароматических соединений, т.е. гидрофильно-липофильный баланс ГК смещен в гидрофобную сторону, а ФК – в гидрофильную. Различающиеся по растворимости ФК и ГК выполняют противоположные геохимические функции.

Фульвокислоты повышают миграционную способность элементов в почве, а гуминовые – представляют собой мощный геохимический барьер. Гидрофобность ароматических структур ядра гумусовых веществ позволит оценить экологическую устойчивость гумуса. Исследования динамичной периферийной части гумусовых кислот являются основой для диагностики процессов почвообразования и степени деградации почвенного органического вещества при антропогенных нагрузках.

Дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы более обогащены гуминовыми кислотами, нежели темно-серые, аллювиально-луговые почвы и чернозем выщелоченный. При этом гуминовые и гиматомелановые кислоты в дерново-подзолистой среднесуглинистой и темно-серой лесной среднесуглинистой почвах в естественных условиях в бόльшей части не гидролизованы и находятся в молекулярном виде. И практически весь суммарный запас ГК и ГМК в аллювиально-луговой среднесуглинистой почве представлен полностью ионизированным состоянием.

Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1-3 мг/л, в речных - 20 мг/л, а в болотах - до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1-12%, при этом больше всего их в черноземах. Лидеры по содержанию этих соединений - органогенные породы, к которым относятся уголь, торф, сапропель, горючие сланцы.

Неспецифические соединения: это вещества, как правило, биологического происхождения, представляют собой углеводы (целлюлоза, моносахариды, полисахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), белки, лигнин, жиры, липиды, дубильные вещества, воски, смолы и т.д.

1. Углеводы – большая группа органических соединений. Главным образом представлены в древесине 50-60%, в листьях и травах около 30%. Функции: 1)формирование почвенной структуры за счет формирования водопрочных агрегатов. 2)углеводы обладают высокой клеящей способностью в почве. Способствуют образованию органоминеральных золей с их полуторными оксидами и глинистыми частицами. 3)ускоряют выветривание минералов за счет образования хелатных солей. 4)участвуют в ионно-обменых процессах и влияют на поглотительную способность почв. 5)влияют на питание растений. 6)являются составной частью гумусовых веществ. 7)являются источником энергии для различных микроорганизмов. 8)участвуют во всех гумусообразовательных процессах.

2. Гемицеллюлоза: это спутник целлюлозы. Содержание в растениях около 15-30%

3. Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бензольных колец, гидроксильных (ОН), метаксильных (ОСН3, двойная связь) карбоксильных групп.

Эти группы определяют кислотность почв, сорбционные свойства, сорбционную способность к различным органическим минеральным политантам, в первую очередь к тяжелым металлам (особенно карбоксильные группы, гидроксильные, метаксильные участвуют в процессах сорбции и задерживают тяжелые металлы и органические политанты). Лигнина около 35% в растения.

4. Белки и аминокислоты. Содержат азот и фосфор, как источник питание, наименьшее их число в древесине, наибольшее – в бактериях и грибах. Это наиболее легко разлагающаяся часть, которая может превращаться в гуминовые кислоты.

5. Смолы. Чаще всего они связаны с хвойными растениями.

6. Воски. Выполняют защитную функцию. Содержатся в незначительном количестве в почвах.

7. Дубильные вещества – это своего рода консерванты, содержание которых в коре древесных растений составляет 5-20%

8. Зольные элементы: кальций, калий, магний, натрий, кремне водород, сера и т.д.

9. Фенолы – органические соединения, которые находятся во всех трех фазах почвы: жидком, твердом, газообразном. В структуре гуминовых кислот являются основой для образования этих кислот и определяют стабилизирующее свойство, стабильность гуминовых кислот.

Все неспецифические соединения в почве делятся на 5 групп

1. Быстро разлагающиеся и поглощаются микроорганизмами. Это сахара, белки. Из их состава образуются элементы азот, фосфор и другие элементы (так как быстро разлагаются).

2. Разлагающиеся медленно. Распадаются под действием ферментов и являются основным источником гумусообразования. Это целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин

3. Ингибиторы. Они подавляют микробиологическую активность, трудно разлагаются в почве. Это дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации органического опада, образованию гумусовых веществ.

4. Ферменты различной биохимической направленности.

5. Фенольные соединения различного структурообразования и функционального действия. Фенолов в почве очень большое множество. В больших количествах они токсичны для окружающей среды и образуются прекрасно во всех зонах.

 

 

5.Условия накопления органического вещества в почве

 

     Накопление  органического вещества в почвах  зависит прежде всего от соотношения  между величиной ежегодного прихода  органического материала и величиной расхода или убыли его вследствие процессов минерализации; в некоторых случаях убыль может происходить также за счет вымывания растворимых соединений за пределы почвы.

      При равенстве  величин годового прихода и  расхода накопление органического вещества будет отсутствовать; оно возможно только в том случае, если приход превышает убыль от разложения. Накапливающееся  органическое вещество отличается значительной устойчивостью к разложению, однако оно также подвергается минерализации (и вымыванию). Поэтому по мере накопления его в почве общая величина ежегодного расхода органического вещества должна постепенно увеличиваться и через некоторый период сравняется с величиной ежегодного прихода свежего материала, после этого дальнейшее накопление становится уже невозможным.

     Таким образом, размеры накопления гумуса определяются  величиной ежегодного прихода  органических остатков, коэффициентом  разложения этих остатков и  коэффициентом  разложения самого  гумуса. 

     Разложение  связано с  деятельностью микроорганизмов  и зависит от целого ряда факторов: состав поступающих в почву растительных остатков, климатические и почвенные  условия. Эти факторы оказывают  также влияние на одновременно идущие процессы микробного и физикохимического синтеза, результаты которых отражаются на составе и свойствах образующегося гумуса.

Влияние химического состава почвы на процессы разложения органических остатков обусловлено наличием растворимых  и легкодоступных минеральных веществ, необходимых для развития микроорганизмов. От химического состава почвы  зависит реакция среды - окислительные процессы разложения протекают наиболее интенсивно при нейтральной и щелочной реакции почвы. В природных условиях различная реакция почв (за исключением солонцов и солонцеватых почв) обуславливается наличием или отсутствием углекислой извести и степенью насыщенности почвы кальцием. Углекислая известь способствует накоплению гумуса в почвах, особенно во влажных (гумидных) и  гумидно-аридных областях. Кальций оказывает большое влияние как на процессы разложения, так и на накопление гумуса, причем это влияние частью косвенное – реакция почвы, а частью прямое – образование нерастворимых гуматов.

 

6.Роль органического вещества в образовании почвы

и создании ее плодородия

 

Под выражением «органическое вещество» понимают две большие группы соединений. Первую из них составляют отмершие части живых организмов, еще не утратившие своего анатомического строения: корни и стебли растений, надземный опад, остатки неразложившихся органическим удобрений, микроорганизмов и животных. Вторую - собственно гумусовые соединения, т.е. высокодисперсные органические вещества, которые в почве в основном связаны с минеральными компонентами в разные комплексы. Термин "органическое вещество" включает в себя первую и вторую группу соединений вместе. На долю собственно гумусовых соединений в составе органического вещества почвы приходится 85-90%.

Само же плодородие почвы представляет собой способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, влаге и воздухе, а также обеспечивать условия для их нормальной жизнедеятельности. Из чего оно складывается можно увидеть на рисунке 2.

Рисунок 2 – Составные части плодородия.

В гумусе и других органических веществах почвы аккумулируется фотосинтетическими и другими путями связанная энергия солнца. За счет этой энергии происходят биохимические и химические реакции в почве, составляющие сущность почвообразования и обеспечивающие биологический круговорот веществ.

Гумус - это не только показатель плодородия почвы, но и главное условие интенсификации земледелия, противоэрозионной и противодефляционной устойчивости почв.

Биохимия трансформации различных компонентов растительных остатков при гумусообразовании изучена недостаточно, поэтому существующие схемы этого процесса носят гипотетический характер. Превращение растительных веществ в почве и образование гумуса представлено на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Превращение растительных веществ в почве и образование

гумуса

М. М. Кононова (Paul. 2001) следующим образом формулирует основные положения, составляющие сущность процесса гумификации:

1) процесс гумификации  растительных остатков сопровождается  минерализацией входящих в них компонентов до СО2. Н2О. NH3. и других продуктов;

2) все компоненты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах продуктов распада, продуктов микробного метаболизма и продуктов распада и ресинтеза:

3) ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является конденсация структурных единиц, которая происходит путем окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз, через семихиноны до хинонов и взаимодействия последних с аминокислотами и пептидами;

4) заключительное звено формирования гумусовых веществ — поликонденсация (полимеризация) является химическим процессом. При гумификации органических остатков отдельные звенья процесса тесно скоординированы и могут протекать одновременно.

Пo мнению Д. С. Орлова, в почвах могут иметь место процессы гумусобразования, идущие как по конденсационному пути, так и по пути биохимического окисления. При этом в почвах черноземного типа с повышенной биологической активностью преобладает конденсационный путь с глубоким распадом исходного органического материала. В почвах дерново-подзолистого типа с пониженной биологической активностью глубокого распада органических остатков, вероятно, не происходит. Крупные фрагменты лигнина, белков, полисахаридов, пигментов путем карбоксилирования и деметоксилирования постепенно трансформируются в гумусовые вещества.

Высокоплодородная почва должна обладать хорошо выраженными как агрофизическими, так и агрохимическими свойствами. К первым относится структура, плотность, порозность, липкость, твердость.

Среди всех почвенных свойств особое значение для дерново-подзолистых почв имеет хорошо выраженная структура. Структурная почва, по сравнению с бесструктурной, меньше заплывает коркой после дождя, в ней поддерживается лучше водный, воздушный и тепловой режимы, усиливается развитие биологических процессов. В таких почвах создается наиболее полная обеспеченность растений элементами питания, они оказывают меньшее сопротивление при обработке.

Агрономически ценная структура зависит от процессов коагуляции, происходящих при участии компонентов органического вещества, главным образом гуминовых кислот и катионов кальция и железа.

Образование водопрочной структуры зависит от трех факторов: гумусовых веществ, минералов и поглощенных катионов. Гумусовые вещества, адсорбируясь на поверхности минералов, служат связующим звеном между микроагрегатами, образуя макроагрегаты. Минералы выполняют функцию среды, на которой закрепляются гумусовые вещества. Поглощенные катионы являются связующим звеном между гумусовыми веществами и минералами.

Образование водопрочной структуры происходит лишь при известном соотношении минеральных и органических коллоидов. Оно лучше всего складывается в суглинистых почвах, тогда как в глинистых имеет место избыток минеральных коллоидов, а в супесчаных и песчаных - недостаток минерального цементирующего вещества. Из органических коллоидов в создании агрономически ценной структуры гуминовым кислотам принадлежит основная роль. В дерново-подзолистых почвах связывание почвенных частиц в агрегаты происходит с помощью гидратов железа и алюминия.