Органическое вещество почвы

В образовании структуры почвы участвуют твердая, жидкая и газообразная фазы, а также живое население почвы. Процесс структурообразования протекает под действием коагуляции коллоидов, склеивание механических частиц коллоидными пленками, слипания их элементов за счет проявления сил Ван-дер-Ваальса, остаточных валентностей и водородных связей при непосредственном участии свежеобразованных гумусовых кислот.

Органическое вещество оказывает положительное влияние на химические свойства дерново-подзолистых почв, при увеличении его содержания происходит снижение обменной и гидролитической кислотностей. Возрастает насыщенность основаниями.

Все свойства почвы, которые, в конечном счете, определяют урожай сельскохозяйственных структур, зависят от состава почвенно-поглощающего комплекса. Полностью можно улучшить неблагоприятный состав обменных катионов и увеличить емкость поглощения почвы подзолистого типа при их интенсивном окультуривании.

Величина емкости поглощения в дерново-подзолистых почвах легкого и среднего гранулометрического состава зависит в основном от содержания в них органического вещества. Емкость поглощения катионов в гумусовом горизонте на 70-75% определяется органическим веществом, а остальная часть приходится на минеральную основу почвенно-поглощающего комплекса.

 Отсюда вытекает необходимость  постоянно пополнять запасы органического  вещества в почве, так как с  этим связана емкость поглощения. Чрезвычайно актуален этот тезис  при недостаточной гумусированности, так как даже внесение весьма  высоких доз минеральных удобрений не обеспечивает получение расчетной урожайности, поскольку значительная часть элементов питания не закрепляется почвой, а мигрирует с током промывных вод в нижележащие слои, тем самым загрязняя окружающую среду.

Для понимания закономерностей изменения состава органического вещества в нарушенных при угледобыче почвах совершенно не достаточно сведений о процессах накопления общего углерода и углерода лабильного  органического вещества. Необходимы исследования по определению качественного состава органического вещества, содержания в составе лабильных гумусовых веществ гуминовых кислот, их оптических характеристик, позволяющих установить степень сформированности гуминовых кислот.

Для оценки результатов эксперимента по восстановлению почв нарушенных экосистем определено содержание различных групп органических веществ не только зональной (фоновой) почвы - чернозема обыкновенного, но и различных типов эмбриоземов. В частности, было выявлено, что преобладающими группами в составе органического вещества черноземов обыкновенных являются легкоокисляемая (49%) и среднеокисляемая (33%) группы. Можно считать, что именно эти показатели характеризуют сформировавшуюся систему гумусовых веществ зональной почвы.

Содержание отдельных групп в составе органического вещества нарушенных при угледобыче почв в значительной степени зависит от возраста эмбриоземов. Выявлено, что во всех исследованных образцах инициальных эмбриоземов по содержанию углерода в легко- и трудноокисляемой группах органического вещества получены результаты, близкие к таковым зональных почв. И только на более поздних этапах развития техногенных почв (возраст 9, 15 лет) в дерновых эмбриоземах, по сравнению с фоновыми почвами, в 1,3 раза снижается содержание углерода в легкоокисляемой группе и в 1,8 раза возрастает в трудноокисляемой.

Сопоставление состава органического вещества зональной почвы и нарушенных в результате угледобычи почв свидетельствует о том, что средне-окисляемая группа органических веществ является наиболее стабильной, обеспечивающей устойчивое равновесное состояние почвы, а процессы трансформации органического вещества затрагивают легко- и трудноокисляемую группы. Это можно объяснить тем, что если в начальный период формирования техноземов продукты распада органического материала вовлекаются в процессы гумификации и образование лабильных гумусоподобных соединений, то в последующем усиливается гумификация органических соединений, входящих в группу трудноокисляемых.

Если рассматривать такие почвы по степени обогащённости некоторыми ферментами дегидрогеназная активность инициальных эмбриоземов будет находиться на очень низком уровне. Это обусловлено тем, что основным источником ферментов, поступающих в почву, являются растительные остатки, а также ферменты эпифитной микрофлоры. Специфической особенностью инициального почвообразования является характерное для данной фазы присутствие незначительного по массе органического субстрата дегидрирования, преимущественно углеводов и органических кислот, что обусловливает заторможенность биохимических процессов, связанных с дегидрированием органического вещества. В последующие годы в процессе накопления растительных остатков и их трансформации произошло формирование пула ферментов и субстратов для них, что привело к значительному росту дегидрогеназной активности, что наблюдается в дерновых эмбриоземах. Высокий уровень дегидрогеназной активности сохраняется в дерновых эмбриоземах 9- и 15-летнего возраста.

Запас углерода в почве есть функция ежегодного поступления мертвого органического вещества и вероятностей его перехода в углекислый газ и в разлагающее органическое вещество, сохраняющее на следующий год. В равновесных среднемноголетних отношениях количество углерода, поступающего из почвы в атмосферу равно среднемноголетней чистой биологической продукции (NPP) и эти равновесные отношения могут существовать при самых различных запасах углерода в почве.

Математическое ожидание оценки запаса углерода в почве биосферы для площади суши, оцененной по градусной сетке для площади суши в 123,4 млн. км2 составляет 1 347 395 601 354 тонн (1,35х1012), в 95% доверительном интервале от 1 311 476 430 748 тонн (1,31х1012) до1 384 298 549 579 тонн (1,38x1012). В таблице 3 приведены существующие оценки запаса углерода в почве.

Таблица 3

Запасы углерода в почве биосферы. Вторичные цитаты(s).

7.Способы прогноза состояния органического вещества

При критическом содержании гумуса такие показатели как плотность, структурное состояние, физико-механические свойства приближаются к свойствам почвообразующих пород. Это наблюдается при содержании гумуса ниже 1% для дерново-подзолистых суглинистых почв и менее 2% для почв черноземного типа. Исследования и практический опыт свидетельствует о возможности получения высоких урожаев при содержании гумуса, ненамного превышающем эти показатели, при условии достаточного содержания в составе почв легкоразлагаемых органических веществ. Исследованиями Ганжары Н.Ф. и Борисова Б.А. (1997) установлено, что оптимальное содержание легкоразлагаемых органических веществ составляет 0.4-1,2%, или 12-36 т/га в пахотном слое. При таком содержании в составе органических веществ содержится достаточно азота, чтобы обеспечить получение 50% урожая. Остальные 50% урожая должны формироваться за счет азота из минеральных удобрений.

Снижение уровня гумусированности ниже критических показателей возможно под действием эрозионных процессов. Это более отчетливо может проявляться на орошаемых полях, в том числе сточными водами, при нарушении режима и технологии поливов.

Биологические потери гумуса от процессов минерализации приводят к сильной выпаханности почв, но не достигают критических показателей. Выпахивание — это деструктивный элементарный почвенный процесс, в результате которого снижается уровень плодородия пахотных почв (снижение гумусированности, обесструктуривание. переуплотнение) из-за нх использования при низком уровне поступления источников гумуca.

Для количественной оценки степени выпаханности предложен показатель, характеризующий относительное содержание углерода органического вещества, выраженное в % к общему содержанию углерода гумуса. Почвы с высокой степенью выпаханности нуждаются в первоочередном внесении органических удобрений.

Выводы

1) Активное изучение истории органического вещества начинается с начала XIX века и продолжает развиваться и по сей день. Наибольшее значение имеют работы В.В. Докучаева, подробно охарактеризовавшего почвы и гумус европейской части России и рассмотревшего процесс гумификации как функцию биоклиматических (экологических) условий. Развитие идей Докучаева прослеживается в работах В.В. Вернадского, определившего почву как «биокосное тело природы».  

В Пермском крае активное участие в изучении органического вещества почвы принимали Елькина Г.Я., Константинова Т.П., Коровкина А.С., Т.Н. Чудинова, Воженин И.Г, Коровин А.И., Беляев Г.Н., Васильева Л.В., Глазковым П.Н., Аликин А.С. и др.

2) Важнейшими органическими соединениями, встречающимися в растениях и животных, являются углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры, воск, смолы, дубильные вещества.

Содержание органического вещества в гумусовом горизонте целинных автоморфных почв различных природных зон варьирует от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных почвах до 13-15% в черноземах лесостепной зоны. В пахотном слое почв, используемых в земледелии, содержание ОВ изменяется в пределах 2-5%.

Формирование органического слоя почвы – это сложный процесс, непрерывно связанный с круговоротом веществ и почвообразованием. В процессе гумификации растительных и других органических остатков в почве происходит новообразование (синтез) гумусовых веществ, которые являются высокомолекулярными соединениями (полимерами), получающимися в результате поликонденсации различных структурных единиц, главным образом, фенольной, аминокислотной, а возможно, и углеводной природы. Во всех этих процессах участвуют ферментные системы почвенных микроорганизмов.

           3) Источниками органической части почвы являются органические остатки, поступающие в нее. В  целинных почвах это растительные остатки, отмирающие микроорганизмы и почвенная фауна, являющаяся как исходным материалом для образования гумуса, так и возбудителем самого процесса гумусообразования.

Основной источник органического вещества в почве - опад растительного покрова в виде отмирающих корней и надземной массы. Меньшая часть органической массы поступает в почву в форме отмерших животных и микроорганизмов. Количество поступающего в почву опада зависит от видового состава растительных ассоциаций и климатических условий.

В плодородных почвах бурно развиваются не только микрофлора, но и почвенная фауна. Это дождевые черви, личинки почвенных насекомых и грызуны. Черви являются наиболее активными почвообразователями. Они живут в поверхностных горизонтах почвы и питаются растительными остатками, пропуская через свой кишечный тракт большое количество почвы.

Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами (противниками). Антагонизм их обычно проявляется в том, что одни группы микроорганизмов выделяют специфические вещества, которые тормозят или делают невозможным развитие других.

4) От состава и деятельности организмов, входящих в растительные формации, зависит общая масса создаваемого ими органического вещества. От характера поступления растительных остатков в почву (в лесных ценозах в основном на почву сверху, а в травянистых – в верхние слои почвы), зольного состава растительных остатков, степени биогенности почв, качественного состава микрофлоры (с учетом других факторов почвообразования), зависят направления процессов гумусообразования, содержания гумуса в почвах, его качественный состав. В связи с этим в почвообразовании синтез и разрушение органического вещества в почве называют сущностью почвообразовательного процесса.