Ганжара - Почвоведение

Согласно этой схеме, гумусаобразование включает все ха­

рактерные процессы формирования и эволюции органапрофиля

почв: разложение поступающих в почву свежих органических ве­

ществ, их минерализацию и гумификацию, минерализацию гуму­ совых веществ, взаимодействие органических веществ с мине­

ральной частью почвы, миграцию и аккумуляцию органомине­ ральных соединений.

Ра3Ложение (распад) поступающих в почву свежих органи­ ческих веществ (процесс, предшествующий минерализации и гу­

мификации) осуществляется микрофлорой и микрофауной при

участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, де­

карбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате

этого процесса образуются промежуточные продукты разложения:

аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносаха­

риды, олигосахариды, уронавые кислоты и другие.

Промежуточные продукты разлоЖения частично подверга­ ются полной минерализации до простых со;rей, газов и воды, ча­

стично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации

зависит от биохимического состава источников гумуса, соотно­ шения С : N в их составе и гидратермических условий. В течение

первого года разложения минерализационные потери углерода ра­

стительных остатков составляют 30-70% от исходной массы. На

поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на

юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см

закономерность обратная (Ганжара Н.Ф., 1980), что связано с

особенностями гидратермических условий почв зонального ряда.

Гумификация - образование высокомолекулярных гумусовых

веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально.

Концепция биохимического окисления. Предложена в 30-х го­ дах И.В.Тюриным, затем детально разрабатывалась и эксперимен­

тально подтверждена в работах Л.Н.Александровой и ее учеников.

Ведущее значение, согласно этой концепции, в процессе гуми­ фикации имеют реакции медленного биохимического окисления

различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическос

строение - белков, лигнина, дубильных веществ. Основными

элементарными звеньями этого процесса являются: окислитель­

ное кислотообразование, формирование азотной части молекулы.

формирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление.

120

бuия, конденсация), а также проuсссы взаимодействия с ми­

с0 ральной частью почвы.

неР Концепция биохимической конденсации и полимеризации. Ос-

оположником этой концепции был А.Г.Трусов. Дальнейшее

н~:витие она получила в работах М.М.Кононовой, а ее разновид­

~ости _в работах В. Флягера, Ф.Шеффера и Б.Ульриха. В основе

этой концепции лежит nредставление о гумификации, как о сис­

теме реакций конденсации и полимеризации мономеров, проме­

жуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хино­ нов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохими­ ческий, с участием ферментов - полифенолксидаз, грибного и

бактериального nроисхождения, а nроцесс полимеризации - как

чисто химический, который происходит на заключительной ста­

дии гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с твер­

дой фазой почв.

Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим

концепциям, гумусовые вещества - это продукты внутриклеточ­

ного синтеза микроорганизмов. Впервые такая гипотеза была сформулирована П.А.Костычевым, затем она получила развитие в работах С.Н.Виноградского, Ф.Ю.Гельцер, Т.Г.Мильчика, Д.Г.Звягинцева. Установлено, что внутри клеток многих грибов,

стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные лигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кис­

лотам почв. Очевидно, что для приобретения устойчивости к раз­

ложению такие вещества должны провзаимодействовать с мине­ ральной частью почвы.

Кинетическая теория гумификацииразработана в 70-х годах

Д.С.Орловым. В основе ее лежит принцип "отбора" наиболее ус­

тойчивых органических соединений в процессе гумификации. Глу­

бина гумификации - степень преобразования растительных ос­

татков в гумусовые вещества - характеризуется отношением

с.. : СФк" Она тесно связана с периодом биологической активнос­

ти, что автор подтверЖдает тесной корреляционной связью глуби­

ны гумификации с длительностью периода биологической актив­

ности в почвах зонального ряда. Однако в почвах разных фаций

(черноземы южно-европейской и восточносибирской фации) та­

кой корреляции не наблюдается. Эта теория не применима и к по­

чвам субтропических и тропических областей.

Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х го­ дах А.Д.Фокиным. Ее суть состоит в том, что продукты разложе­

ния могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а

121

включаются за счет конденсации сначала в периферические фраг­ менты уже сформированных молекул, а затем - в циклическис структуры. При этом периферические фрагменты обновляются 13

несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор

назвал фрагментарным. Кроме того, методом изотопных индика­

торов А.Д.Фокин показал наличие обменной молекулярной сорб­

ции гумусовых молекул.

Количественная оценка процесса гумификации. Для количе­

ственной оценки процесса гумификации используют коэффици­ енты гумификации (Кг) - это часть поступающих в почву орга­ нических веществ (наземный и корневой опад, органические удобрения и др.), трансформирующаяся в гумус при полном их

разложении. Обычно величина Кг рассчитывается в долях или в

процентах (на сухое вещество) от годового количества поступаю­ щих в почву свежих органических веществ. Однако в течение года

разлагается только часть поступающих свежих органических ве­

ществ (30-70%). Остальная масса разлагается и гумифицируется n последующие годы. Поэтому для расчета Кг используют промежу­

ток времени, измеряемый несколькими годами или даже десятка­

ми лет, включающих ряд циклов разложения и гумификации по­ ступающих в почву свежих органических веществ. Расчетная вели­

чина Кг, таким образом, является усредненной за ряд лет. Основ­ ная трудность определения Кг заключается в отделении новообра­

зовавщегося гумуса из учитываемых в опыте его источников от

ранее образовавщегося гумуса. Рещение этого вопроса, в какой-то

мере, возможно с помощью изотопноиндикаторного метода. Пря­

мое определение Кг можно проводить в безгумусных субстратах

(породах) при известном количестве поступающих или вносимых

в почву органических веществ за определенное время. В пахотных

почвах Кг определяют в длительных опытах путем учета прибавки

гумуса на делянках с известными дозами органических удобрений

по сравнению с исходным его содержанием в почвах контрольных

делянок (без удобрений), при одинаковых культурах и агротехни­

ке. Однако такие показатели более правильно называть коэффи­

циентами прироста гумуса, поскольку они не учитывают количе­

ства обновляющегося гумуса. Наконец, величину Кг можно оце­

нить по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса,

сущность которого заключается в определении среднего времени

пребывания (СВП) углерода в составе гумуса или его отдельных фракций по удельной активности распада 14С. Величина, обратная

СВП, соответствует доле углерода, обновляющегося в среднем з<~ 1 год, и равна величине Кг в долях от запасов гумуса, посколькУ

122

ичество минерализующегося гумуса в зрелых почвах равно ко­

"0~еству разлагающегося. Зная величину ежегодного опада, не­

ли жно рассчитать Кг в долях от массы годового опада.

ело Точное определение Кг усложняется тем, что разные груп-

ность суlllествования разных составных частеи гумуса может раз-

личаться на порядок или даже на несколько порядков. Поэтому

еличина Кг может зависеть от длительности периода его опреде-

объясняют большие колебания их значений, приводимых в лите­

ратуре, от О до 40-50% массы источников гумуса. Поэтому исполь­

зование Кг для расчета баланса гумуса с целью регулирования

уровня гумусированности дает большие погрешности.

Разложение и минерализация гумусовых веществ. Установле­

но, что гумусовые вещества подвержены процессам разложения,

обновления и минерализации. Скорость этих процессов значитель­

но ниже, по сравнению со скоростью разложения и минерализа­

ции источников гумуса. Многие исследователи объясняют высо­

кую устойчивость гумусовых веществ к разложению особенностя­

ми строения их молекул. Однако, тот факт, что в свободном со­

стоянии в условиях земной поверхности гумусовые кислоты в

значительных количествах не накапливаются, позволяет полагать,

что основной причиной устойчивости является степень прочности

их связи с минеральной частью почв. Методом радиоуглеродного

датирования установлено, что среднее время пребывания углеро­ да в составе гумуса измеряется сотнями и тысячами лет. При этом скорость обновления фульвокислот выше, чем гуминовых; гумус

в верхних слоях черноземов старше, чем гумус дерново-подзолис­

тых почв. Во всех почвах более интенсивно обновление гумуса nроисходит в верхней части почвенного профиля, где значитель­ но выше биологическая активность.

Способность разлагать гумусовые вещества установлена для

многих почвенных организмов - грибов, актиномицетов, бак­

терий. С.Н.Виноградский делил микрофлору почв на две группы:

- зимогенную, привносимую с растительной массой и раз­

лагающую ее;

- автохтонную, собственно почвенную, разлагающую гуму­

совые вещества.

Для оценки скорости минерализации гумуса используется

Коэффициент минерализации (Кмг) - количество минерализую­ lЦегося гумуса в год, выраженное в долях или процентах от общих

123

запасов. При определении Kr.Iг возникают такие же проблемьr

как и при определении Кг. Цикличность данного процесса, разно~

возрастиость различных групп и фракций гумуса, постоянная ми­

нерализация источников гумуса осложняют экспериментальнос

определение Кмг. Тем не менее, существует ряд способов пример­

ной оценки скорости минерализации гумуса.

1. Определение Кмг изотопноиндикаторным методом. Мече­

ные по углероду или азоту источники гумуса вносят в почву, в

последующем определяя включения их в гумус и минерализаци­

онные потери.

2. Определение Кмг по данным радиоуглеродного датирова­

ния возраста гумуса. Этот способ аналогичен описанному выше,

при рассмотрении методов определения Кг.

3. Определение Кмг в условиях длительных стационарных

опытов. Зная запасы гумуса в вариантах длительно парующих де­

лянок, в начале и в конце опыта рассчитывают среднегодовые по­

тери гумуса, принимая их за Кмг. При этом не учитывается ново­ образованный гумус, источником которого может быть почвенная биота. Кроме того, в парующих делянках минерализация может

иметь другую интенсивность, по сравнению с делянками пол

сельскохозяйственными культурами. Следует также иметь ввиду.

что в парующих делянках наибольшая интенсивность минерализа­

ции происходит в первые годы опыта с последующим замедлени­

ем. Это связано с тем, что в первые годы происходят потери ме­ нее устойчивых фракций гумуса. Через десятки лет состояние гу­

муса в парующих делянках может приближаться к квази-равно­

весному. Поэтому на величину Кмг, определенную таким спосо­ бом, оказывает влияние длительность наблюдений.

4. Определение Кмг по эмиссии СО2• При определении Кмг

таким способом производится учет выделяющегося углекислого газа, который образуется при разложении и минерализации орга­ нических, в том числе гумусовых, веществ. Метод имеет те же не­

достатки, что и предыдущий.

5. Определение Кмг по выносу азота с урожаем. Установлено. что 50-60% азота, используемого растениями, является почвен­ ным. Остальные 40-50% азота поступают в урожай из удобрений. Таким образом, зная величину урожая и содержание в нем азота,

рассчитывают количество минерализовавшегося гумуса. Этот спо­ соб определения Кмг так же обладает рядом существенных недо­

статков. Почвенный азот представлен не только азотом гумуса, но

и, прежде всего, азотом легкоразлагаемых органических веществ.

в том числе растительных остатков. Трудно поддаются учету такие

124

ихода в почву азота, как фиксация свободноживущими

стать~о~~анизмами (несимбиотическая азотфиксация), атмосфер­

мИКР адки Все это вызывает большие погрешности при опреде- tiЬiе осКмr .этим способом.

леtiИИВеличиtiЫ Кмr, определенные разными методами, варьиру­

т в очеtiЬ широких пределах, от сотых долей процентов до 1-2%

14.5.Гумусовое состояние почв зонального ряда

Географические закономерности гумусаобразования наибо­

лее детально были разработаны И.В.Тюриным. Впоследствии они уточнялись в работах М.М._!(ононовой, В.В.Пономаревой, Ф.Дю­

шофура и др. исследователем.

Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гуму­

са закономерно изменяются в почвах зонального ряда. Наиболь­

шие значения перечисленных показателей характерны для черно­

земов типичных лесостепной зоны. Мощность гумусового гори­ зонта в них может достигать 1,5 м, содержание гумуса до 15%

(табл. 14.1). К северу и югу от зоны распространения черноземов

типичных мощность гумусового горизонта, содержание и запасы

гумуса постепенно снижаются до минимальных значений.

Параллельна общему содержанию гумуса изменяется отно­

сительное содержание гуминовых кислот. Больше всего их в чер­

ноземах. К северу и югу от черноземов их содержание постепенно снижается. Изменение содержания фульвокислот менее законо­

мерно, но в целом противоположно содержанию гуминовых кис­

лот. Содержание нерастворимого остатка составляет 30-40% от об­

щего содержания гумуса и слабо варьирует по типам почв. Харак­

терным для каЖдого типа почв является отношение углерода гу­

миновых кислот к углероду фульвокислот, которое также наи­

большее в черноземах (около 2 и более), постепенно снижается к nодзолистым, бурым пустынно-степным почвам.

По этому отношению выделяются (Д.С.Орлов и Л.А.Гришина) сле~ующие типы гумуса: гуматный - более 2, фульватно-гумат­

ныи- 1-2, гуматно-фульватный- 0,5-1, фульватныйменее 0,5.

n В составе гуминовых кислот доля свободных и связанных с ОдВИЖНЫМИ форМаМИ ПОЛУТОрНЫХ ОКСИДОВ ОТ ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

"125

1

м аридных регионов снижается от 90-100% до 10% и ме­

J< nочв~ кальцием, наоборот, возрастает в том же диапазоне. В по­

нее, а лажных и переменно-влажных тропических и субтропичес­

чвах~ластей содержание гумуса повышается на 3-4% с преобла-

средней биологической активности, имеет слабое сцепление с мине­ ральной частью почв (примергумус дерново-подзолистых почв).

Мюлль - формируется при высокой биологической активно­

сти, в условиях нейтральной ~ щелочной реакции среды, имеет сильную связь с минеральнон частью почвы (пример - гумус

черноземов).

в условиях временного избыточного увлажнения выделяется

анмоор (дерново-глеевые почвы), а при водазастойном типе вод­ ного режима - олиготрофный (верховые болота) и мезотрофный (низинные болота) торф.

14.6.Факторы и условия rумусообразования

Первая систематизация факторов, определяющих содержа­

ние, запасы и состав гумуса в почвах, была сделана В.В.Докучае­ вым в монографии "Русский чернозем". При установлении границ черноземной зоны за мощность почвы принимал он мощность гу­

мусового слоя. Сопоставление почв, имеющих разную мощность

гумусового слоя, содержание и состав гумуса, позволило В.В.До­

КуЧаеву сформулировать учение о факторах почвообразования. В

дальнейшем факторы и условия гумусаобразования были деталь­ но рассмотрены в работах П.А.Костычева, И.В.Тюрина, М.М.Ко­

~оновой, В.В.Пономаревой, Л.Н.Александровой, Л.А.Гришиной,

· Иенни, С.Ваксмана, Ф.Дюшофура и др.

Ведущими факторами и условиями гумусаобразования явля­

ются: количество, состав и характер поступления в почву источ­

:иков гумуса, гидратермический режим, окислительно-восстано­

ительные условия, биологическая активность, гранулометричес-

127

кий, минералогический, химический состав и физико-химичес­

кие свойства почв.

Количество, состав и характер поступления источников гумуса. Количество ежегодного опада в различных природных зонах колеб­ лется от нескольких центнеров на га в тундрах и пустынях до 10-15

т/га в луговых степях лесостепной зоны и до 25 и более т/га сухого

вещества во влажных тропических лесах. В агроценозах количество

послеуборочных остатков составляет 1-2 т/га под пропашны\1 11 культурами, 2-3 т/га - под зерновыми, 5-8 т/га под многолетнищ1 травами. Чем больше поступает источников гумуса, тем больше об­

разуется гумуса в почвах, при прочих равных условиях.

Ведущими показателями состава источников гумуса, с точю1

зрения влияния на гумусообразование, является содержание в нщ оснований, азота (отношение С : N) и легкоразлагаемых веществ. Накоплению гумуса способствуют повышенное содержание основа­ ний и азота и легкоразлагаемых органических веществ (белкоn 11 других азотсодержащих компонентов). Повышенное содержание лигнина и целлюлозы снижает интенсивность гумификации.

Поступление источников гумуса непосредственно в почву, в

отличие от поверхностного, улучшает условия взаимодейстnин

продуктов гумификации с твердой фазой почв и снижает интен­

сивность их минерализации.

Гидротермические условия. Условия температуры и влажности определяют интенсивность и направленность биологических, био­

химических процессов и скорость химических взаимодействий. Гу­

мификацию сдерживают как избыточная влажность, так и недоста­ точная. Избыточная влажность в условиях водазастойного режю1а обусловливает консервацию органических веществ на различных стадиях разложения в виде перегнойных или торфяных горизонтоn n полугидраморфных и гидраморфных почвах. Оптимальными явля­

ются контрастные условия увлажнения, когда влажные периоды

чередуются с сухими. Во влажные периоды усиливаются процсссы разложения и гумификации, а в сухие - происходит закреплен11с

продуктов гумификации твердой фазой почвы.

Поиижеиные температуры ограничивают интенсивность

процессов разложения и гумификации, повышенные - значн­ тельно усиливают минерализацию. Оптимальными являются УJ\JС­

ренные температуры.

Физико-химические свойства и окислительно-восстанови­

тельные условия. Физико-химические свойства определяют реак­

цию среды и сорбционные свойства. Оптимальными для гумифll­

кации являются нейтральная и близкая к нейтральной реакuнн

128

ъi обусловленная повышенной концентрацией катионов

средu~я и магния. Такая реакция, в сочетании с оптимальными

IСаJI~лителъно-восстановительными условиями и гидротермичес­ оiСИ режимом, обусловливает умеренную биологическую актив-

тии _ детритификации, конечным продуктом которой является

минерализации, в том числе новообразованных гумусовых веществ. оптимальной является умеренная биологическая активность.

Гранулометрический состав. Гранулометрический состав ока­

зывает влияние на гидротермические и окислительно-восстанови­

тельные условия, определяет общую и удельную поверхность и

обусловливает прочность связи гумусовых кислот с минеральной

частью почв. Чем тяжелее гранулометрический состав, тем благо­ приятнее условия для закрепления гумуса. Обычно, глинистые nочвы накапливают в несколько раз больше гумуса по сравнению

с песчаными и супесчаными.

Минералогический состав обусловливает физико-химические и

сорбционные свойства почв. Накоплению гумуса способствуют вто­

ричные тонкодисперсные минералы с высокими емкостью погло­

щения, общей и удельной поверхностью (монтмориллонит, верми­ кулит, хлорит и др.). Первичные минералы (грубодисперсные) об­ ладают низкой удельной поверхностью, низкой поглотительной способностью и не способствуют накоплению гумуса в почвах.

Химический состав, наряду с минералогическим, обусловли­ вает физико-химические свойства почв. Наличие карбонатов каль­

ция и магния, а также повышенное содержание кальция и магния в составе первичных и вторичных минералов, способствует накопле­

нию гумуса. Кальций и магний связывают гуминовые кислоты в труднорастворимые и недоступные микроорганизмам формы. Они

оказывают влияние на биологическую активность и на прочность

связывания гумусовых веществ твердой фазой почвы.

Многообразие факторов и условий гумусообразования на по­ верхности приводят к формированию почв с различными содержа­

нием, запасами в профиле почв и составом гумусовых веществ. В аг­

Роэкосистемах на природные факторы и условия накладываются антропогенные факторы, которые будут рассмотрены ниже.