Глава 8 органические и органо-минеральные вещества почв Источники органических веществ в почвах и их химический состав

Органические вещества поступают в почвы с наземными и кор­невыми остатками высших растений, при отмирании многочислен­ных популяций микроорганизмов и обитающих в почве животных. Некоторая часть органических веществ поступает с прижизненны­ми корневыми выделениями растений и животных, экскрементами ^и Разнообразными метаболитами микроорганизмов.

Основная масса органических остатков поступает с наземным и корневым опадом высшей растительности и колеблется в широких пределах: от 10—12 ц/га в год в холодных и жарких пустынях до 210—250 ц/га во влажных субтропических и тропических лесах. Умеренно засушливые и луговые степи поставляют с наземным и главным образом корневым опадом 100—140 ц/га органических ос­татков в год. Под лесной растительностью большая часть органи­ческих остатков поступает на поверхность почвы, под травянистой растительностью преимущественно — внутрь почвы, при отмира­нии корней.

В состав органических остатков входят воски, жиры, смолы, цел­люлоза, гемицеллюлозы, растворимые углеводороды и лигнин. Соот­ношение этих компонентов в различных видах растений и различных органах одного и того же вида неодинаково. По высокому содержанию восков и смол существенно выделяется хвоя деревьев, по высокому содержанию целлюлозы и лигнина и почти полному отсутствию бел­ков — древесина хвойных и лиственных пород. Значительное содер­жание белков характерно для многолетних бобовых трав и особенно для бактерий, в телах которых они преобладают. В состав растительных тканей входят также разнообразные органические кислоты жирного и ароматического рядов: щавелевая, янтарная и др.

В органических остатках присутствуют также зольные элементы (Са, К, Mg, Р, S, Si, Fe, Al, Мп) и многие микроэлементы (Mo, В, Ва, Sr, Си, Zn и др.).

Агенты и процессы преобразования органических остатков в почвах

Органические вещества, поступающие в почву, подвергаются процессам разложения. Часть их быстро минерализуется, другая часть, претерпевая ряд превращений, накапливается в почвах в виде сложных специфических высокомолекулярных органических соеди­нений — гумусовых веществ. Процессы разложения, полной мине­рализации и ресинтеза протекают одновременно, сложным образом сочетаясь друг с другом.

Агентами преобразования органических веществ в почве явля­ются кислород, вода и обитающие в почве микроорганизмы: грибы, бактерии, актиномицеты. Способствует разложению органических остатков многочисленная группа беспозвоночных животных.

Сапрофаги питаются отмершими растительными тканями, раз­мельчают их, обогащают кишечной микрофлорой и ускоряют раз­ложение растительных остатков в несколько раз. Их работу про­

должают детритофаги и копрофаги, потребляющие уже измельчен­ные растительные ткани. В разложении растительных остатков ак­тивно участвуют энхитреиды (малощетинковые черви), микроарт- роподы (колемболы, клещи) и макроартроподы (мокрицы), личин­ки жуков и двукрылых, а также люмбрициды (земляные черви). Беспозвоночные животные живут в симбиозе с микроорганизмами, выбросы их обогащены ферментами.

В разложении и ресинтезе органических веществ в почве осо­бенно большую роль играют микроорганизмы. В процессе жизнеде­ятельности микроорганизмы выделяют в среду обитания особые вещества — экзоэнзимы (или ферменты). Они действуют как ката­лизаторы химических реакций и ускоряют процессы гидролиза, окис­ления, сбраживания поступающих в почвы органических остатков.

Часть продуктов полураспада растворима в воде и хорошо ус­ваивается клетками микроорганизмов. Остальная, большая, часть (75—80 % общей органической массы) в аэробных условиях при участии гетеротрофных, т. е. нуждающихся в готовом органичес­ком веществе, микроорганизмов подвергается окислению. Выде­ляющаяся при этом энергия используется гетеротрофными микро­организмами в процессе дыхания, а частично рассеивается в фор­ме тепловой энергии.

Наряду с гетеротрофными микроорганизмами в процессах окис­ления органических веществ и продуктов их разложения участвуют хемотрофные организмы. Необходимую энергию для жизни они получают за счет окисления химических элементов с переменной зарядностью. Это прежде всего азот и сера, входящие в состав бел­ков и некоторых других органических веществ.

Окисление азота от двух- до пятизарядного происходит при учас­тии аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий. На первом этапе идет окисление азота аминокислот с образованием аммиака. При растворении аммиака в воде, содержащей углекислоту, образу­ется углекислый аммоний (NH₄)₂CO₃. Аммонийный ион может усва­иваться корнями растений и микроорганизмами. Часть аммонийного азота подвергается под воздействием нитрификаторов дальнейшему окислению до нитритов N0₂ и нитратов N0₃. При окислении выделя­ется энергия, которая расходуется микроорганизмами на ассимиля­цию углекислоты. Этот процесс называется хемосинтезом. Хемотроф­ные микроорганизмы, участвующие в окислении серы, принадлежат к особой группе серобактерий. Освобождающийся при разложении белков сероводород окисляется с образованием элементарной серы, а затем серной кислоты. Схема процесса такова:

H₂S + О -> S + Н₂O; S + ЗО + Н₂O-> H₂SO₄

Образующаяся серная кислота дает с различными катионами соли, большая часть которых хорошо растворима в воде и доступна кор­ням растений.

Под совокупным воздействием аэробных микроорганизмов про­исходят быстрое окисление и минерализация органических остатков с образованием кислородных соединений. Углерод окисляется до углекислоты С0₂, водород — до воды Н₂0, азот — до азотистой HN0₂ и азотной HNO_s кислот, фосфор — до фосфорной кислоты Н₃Р0₄, сера — до серной кислоты H₂S0₄. Получается ряд сильных кислот, которые соединяются с имеющимися в почве или золе растений основаниями; образуются различные соли, растворимые в воде и служащие источником пищи для растений и микроорга­низмов.

При недостатке кислорода идут процессы восстановления мине­ральных соединений с участием анаэробных микроорганизмов. Нит­раты восстанавливаются до аммиака и молекулярного азота — про­цесс денитрификации. Сульфаты восстанавливаются до сероводо­рода — процесс десульфуризации.

При анаэробном разложении органических соединений продукта­ми минерализации являются бескислородные соединения: водород Н, метан СН₄, аммиак NH₃, молекулярный азот N, фосфористый водород РН₃ и сероводород H₂S. Все эти газообразные вещества вхо­дят в состав почвенного воздуха, а частично, при газообмене с ат­мосферой, удаляются из почвы. При анаэробном разложении геми- целлюлоз идут процессы брожения, в большом количестве образу­ются органические кислоты: масляная, уксусная, муравьиная и др. Процессы анаэробного разложения органических остатков идут мед­ленно; ткани растений, сложенные наиболее устойчивыми органи­ческими веществами (лигнином, смолами, восками), очень долго не разлагаются.