Обменная кислотность:

[ППК] + 4КСl → [ППК]4К⁺ + АlСl₃ + НСl;

АlСl₃ + 3НОН → Аl(ОН)₃ +3НСl.

Образующаяся в растворе кислота оттитровывается щёлочью. Выражается в мг-экв или рН_КСl или рН_{солевое}.

Кислотность от иона алюминия можно определить в солевой вытяжке при рН менее5,0. При большем значении рН алюминий в ионной форме не существует. Величина обменной кислотности всегда выше актуальной кислотности и значение рН солевой вытяжки всегда ниже, чем рН почвенного раствора.

Гидролитическая кислотность определяется количеством поглощённых ионов Н⁺ и Аl³⁺, вытесняемых гидролитически щелочной солью (солью сильного основания и слабой кислоты). При этом происходит более полное вытеснение поглощённых ионов. Определение с помощью соли СН₃СООNа проводят при рН = 8,2 потенциометрическим методом. Количество образующейся уксусной кислоты, определяемое титрованием, характеризует гидролитическую кислотность. Выражается в мг-экв на 100 г почвы. Гидролитическая кислотность всегда выше обменной.

[ППК] +4СН₃СООNa + 3Н₂О → [ППК]4Na⁺ + Аl(ОН)₃ + 4СН₃СООН

На основании исследований почвенной кислотности разработаны приёмы известкования и фосфоритования кислых почв.

При решении вопроса о нуждаемости почв в известковании необходимо знать следующие показатели: обменную кислотность, степень насыщенности основаниями, механический состав и чувствительность к кислотности возделываемых культур. Для расчёта доз извести необходима величина гидролитической кислотности.

Щёлочность почв. При значении рН более 7 в почвенном растворе преобладают гидроксильные группы над ионами Н⁺. В этом случае раствор имеет щелочную реакцию.

Щелочная реакция вызывается присутствием в растворе солей сильных оснований и слабых кислот. Это карбонаты калия и натрия, гидрокарбонаты натрия и кальция [К₂СО₃, Na₂СО₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂], соли кремневой кислоты и органических кислот. Кроме того, щелочную реакцию имеют почвы, содержащие Na⁺ в поглощённом состоянии.

Различают актуальную и потенциальную щёлочность почв.

Актуальная щёлочность обусловлена наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей, при диссоциации которых образуются в значительном количестве гидроксильные группы. Актуальная щёлочность может быть общей, щёлочность от гидрокарбонатов и щёлочность от карбонатов. Различаются они по граничным значениям рН.

Определяется щёлочность путём титрования кислотой. Выражается в мг-экв/100 г.

Потенциальная щёлочность проявляется у почв, содержащих поглощённый натрий.

При взаимодействии почвы с углекислотой поглощённый натрий в почвенно поглощающем комплексе замещается водородом и появляется сода Na₂CO₃. Щёлочность оказывает отрицательное влияние на физические, физико-механические свойства почв, неблагоприятна для большинства растений. Для химической мелиорации щелочных почв используется гипс.

Буферность почвы – это способность почвы противостоять изменению концентрации почвенного раствора, особенно её щёлочно-кислотного и окислительно-восстановительного состояния, под воздействием различных факторов.

Почва как полифункциональная система сохраняет устойчивость, как против кислотных, так и против щелочных агентов.

Буферные свойства почв связаны с поглощением и вытеснением ионов, с процессами перехода соединений в молекулярные или ионные формы, с нейтрализацией и выпадением в осадок образующихся в почве соединений и определяются свойствами почвенных коллоидов.

Кислота или щёлочь, появляющиеся в почвенном растворе, вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами, что ослабляет сдвиг реакции.

При взаимодействии с кислотой происходит реакция обмена между обменными катионами и водородом, в результате чего водородный ион оказывается связанным твёрдой фазой почвы, а в растворе появляется катион.

[ППК]Са²⁺ + 2HCl → [ППК]2Н⁺ + CaCl₂;

При взаимодействии со щёлочью ионы Н⁺ и Аl³⁺ поглощающего комплекса обмениваются с катионами щёлочи.

[ППК]Н⁺ + NaHCO₃ → [ППК]Na⁺ + H₂CO₃→Н₂О и СО₂↑.

Твёрдая фаза почвы может содержать малорастворимые соли основного или кислотного характера, которые могут взаимодействовать с раствором и ослаблять сдвиг реакции.

Буферность почвы зависит от:

- количества почвенных коллоидов (чем больше коллоидов в почве, тем выше буферность; песчаные почвы не обладают буферностью);

- состава почвенных коллоидов (чем выше в почвах содержание гумуса, монтмориллонита и почвенных коллоидов с широким отношением кремнезёма к глинозёму, тем выше их буферность по отношению к изменениям реакции как в кислом, так и щелочном интервале; буферность возрастает параллельно увеличению ёмкости поглощения почв);

- состава обменных катионов (наличие большого количества катионов Са²⁺, Мg²⁺ и других оснований создаёт значительную буферность в кислую сторону; почвы, имеющие в составе обменных катионов Н⁺ и Аl³⁺ и способные поглощать щёлочь, обнаруживают буферность в щелочную сторону).

Высокой буферностью против щелочных агентов обладают глинистые минералы, содержащие значительные количества Н⁺ и Аl³⁺ и кислых гумусовых соединений

Буферность почв определяется путём титрования почвенных растворов: по отношению к кислотам – растворами кислот; по отношению к щелочам – растворами едких щелочей; по отношению к соде – растворами соды.

Высокой буферностью в отношении кислот и малой в отношении щелочей отличаются гумусированные маловыщелоченные чернозёмы, почвы степных, пустынных и полупустынных областей, богатых углекислыми солями.. Буферная способность является одним из элементов почвенного плодородия, она позволяет сохранить благоприятные свойства почв для растений.

Окислительно-восстановительные процессы в почвах. Почва – сложная окислительно-восстановительная система. В ней присутствует большое разнообразие минеральных и органических веществ, способных вступать в реакции окисления и восстановления.

Процессами окисления называются - присоединение кислорода, отдача водорода, отдача электронов без участия водорода и кислорода.

С окислительными реакциями связаны процессы гумификации растительных остатков; с реакциями окисления и восстановления – изменение степени окисленности органического вещества и других элементов. Реакции окисления и восстановления протекают всегда одновременно, при этом участвуют два или несколько веществ. Одни теряют электроны и окисляются, другие принимают электроны и восстанавливаются

Для количественной характеристики окислительно-восстановительных процессов используется понятие окислительно-восстановительного потенциала.

Окислительно-восстановительным потенциалом почвы (ОВП) – называют разность потенциалов, возникающую между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платина), помещённого в почву.

Окислительные процессы широко развиты при явлениях превращения органического вещества в почве: тирозина до меланина; окисление смол и непредельных углеводородов; окисление дубильных веществ, сахаров, белков и других соединений, входящих в состав растительных остатков.

Большинство реакций окисления органических веществ почвы относятся к группе необратимых.

Обратимыми окислительно-восстановительными реакциями являются реакции окисления и восстановления железа, марганца, азота, кислорода, водорода, серы.

Основным окислителем в почве выступает молекулярный кислород О₂ почвенного воздуха, почвенного раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов зависит от аэрации почвы, которая тесно связана с физическими и физико-механическими свойствами, структурой, механическим составом, а также состоянием увлажнения и аэрации почв, содержащего в них органического вещества и температуры.

Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, её уплотнения, образование корки и других причин ведёт к снижению окислительно-восстановительного потенциала. Наиболее резко он падает при влажности, близкой к полной влагоёмкости, когда нарушается газообмен почвенного воздуха с атмосферным. На окислительно-восстановительные процессы существенно влияет содержание и форма органического вещества.

Снижение потенциала при переувлажнении почвы быстро происходит только в гумусовых горизонтах. Свежее неразложившееся органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами интенсивно разлагается в избыточно увлажнённой почве.

Чем выше концентрация окислителя, тем больше потенциал. Если активные концентрации окислителя и восстановителя равны, то потенциал системы, в которой активность окислителя и восстановителя одинакова и равна 1, называется нормальным потенциалом окислительно-восстановительной системы.

Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от её генетических свойств и состояния воздушного и температурного режимов. Поэтому различные почвы характеризуются своими особенностями в развитии окислительно-восстановительных процессов.

В подзолистых и дерново-подзолистых почвах нормального увлажнения окислительно-восстановительный потенциал составляет 550-750 мВ, в чернозёмах – 400-600 мВ, серозёмах – 350-400 мВ.

Наиболее низкие потенциалы у длительно затопляемых почв рисовых полей и болотных почв. При падении Е до 200 и ниже начинается интенсивное развитие восстановительных процессов с типичными признаками оглеения.

Многие автоморфные почвы характеризуются пониженными показателями окислительно-восстановительного процесса в верхних горизонтах с постепенным их увеличением в нижних. Такой тип распределения окислительно-восстановительного процесса связан с микробиологическими процессами и особой ролью органического вещества как фактора микробиологической активности.

В полугидроморфных почвах с грунтовым дополнительным увлажнением наиболее низкий окислительно-восстановительный потенциал свойственен нижним оглеенным горизонтам.

Для гидроморфных почв типична некоторая гетерогенность (неоднородность) ОВ состояния их профиля при преобладании восстановительных условий.

Неоднородность ОВ состояния в микрозонах одного и того же горизонта обусловлена различной микробиологической активностью в отдельных участках в связи с неоднородным распределением органического вещества, разными условиями увлажнения и газообмена.

Сезонная изменчивость водно-воздушного, температурного и микробиологических режимов определяет динамику окислительно-восстановительных процессов в почвах, т.е. их окислительно-восстановительный режим.

Под окислительно-восстановительным режимом почв следует понимать соотношение окислительно-восстановительных процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования.

Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

- почвы с абсолютным господством окислительной обстановки – автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь (чернозёмы, каштановые, серо-коричневые, бурые, полупустынные, серозёмы, серо-бурые);

- почвы с господством окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таёжно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной и бурозёмно-лесной зоны);

- почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастной динамикой окислительно-восстановительных процессов характеризуются почвы с избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей, солонцов и других типов почв.

- почвы с устойчивым восстановительным режимом (болотные и гидроморфные почвы).

Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразовательный процесс и плодородие почв.

С этим процессом тесно связаны превращение растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических веществ, а следовательно, и формирование профиля почв.

Окислительно-восстановительные процессы в почвах. Почва – сложная окислительно-восстановительная система. В ней присутствует большое разнообразие минеральных и органических веществ, способных вступать в реакции окисления и восстановления.

С окислительными реакциями связаны процессы гумификации растительных остатков; с реакциями окисления и восстановления – изменение степени окисленности железа, марганца, азота, серы и других элементов. Реакции окисления и восстановления протекают всегда одновременно, при этом участвуют два или несколько веществ. Одни теряют электроны и окисляются, другие принимают электроны и восстанавливаются

Ох + n^e- Red, где,

Ох - окислитель, Red - восстановитель, е- электрон, n – число электронов, участвующих в реакции.

Для количественной характеристики окислительно-восстановительных процессов используется понятие окислительно-восстановительного потенциала.

Окислительно-восстановительным потенциалом почвы (ОВП) – называют разность потенциалов, возникающую между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платина), помещённого в почву.

Окислительные процессы широко развиты при явлениях превращения органического вещества (аминокислот) в почве: тирозин →меланин; окисление смол и непредельных углеводородов; окисление дубильных веществ, сахаров, белков и других соединений, входящих в состав растительных остатков.

Большинство реакций окисления органических веществ почвы относятся к группе необратимых.

Обратимыми окислительно-восстановительными реакциями являются реакции окисления и восстановления железа (Fe³⁺ Fe²⁺), марганца (Mn⁴⁺ Mn²⁺), азота (N⁵⁺ N³⁺), кислорода (O₂ O^2-) , водорода (H H⁺), серы (S⁶⁺ S^2-).

Основным окислителем в почве выступает молекулярный кислород О₂ почвенного воздуха, почвенного раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов зависит от аэрации почвы, которая тесно связана с физическими и физико-механическими свойствами, структурой, механическим составом, а также состоянием увлажнения и аэрации почв, содержащегося в них органического вещества и температуры.

Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, её уплотнение, образование корки и других причин ведёт к снижению окислительно-восстановительного потенциала. Наиболее резко он падает при влажности, близкой к полной влагоёмкости, когда нарушается газообмен почвенного воздуха с атмосферным (90% в дерново-подзолистых почвах).

На окислительно-восстановительные процессы существенно влияет содержание и форма органического вещества. Снижение потенциала при переувлажнении почвы быстро происходит только в гумусовых горизонтах. Свежее неразложившееся органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами интенсивно разлагается в избыточно увлажнённой почве.

Окислительно-восстановительный потенциал почвы (ОВП) выражается следующим уравнением.

Е_ОВ = Е_О + RT/nF·ln[окисл]/[восст]

R - универсальная газовая постоянная, Дж;

Т – абсолютная температура, ТК;

F - число Фарадея, Кл;

n – число зарядов, переносимых одной частицей (ион);

[окисл] [восст] – концентрации окислителя и восстановителя.

Чем выше концентрация окислителя, тем больше потенциал. Если активные концентрации окислителя и восстановителя равны, то [окисл]/[восст] = 1, а Е_ОВ = Е_О.

Потенциал системы, в которой активность окислителя и восстановителя одинакова и равна 1, называется нормальным потенциалом окислительно-восстановительной системы.

Окислительно-восстановительный потенциал по отношению к водороду называют Еh.

Е_H = Е_О + RT/nF·ln[H⁺]/[H₂]

Потенциал стандартного нормального водородного электрода условно считают равным нулю.

Величину и знак любого электрода, применяемого для измерения окислительно-восстановительного потенциала системы, сравнивают с водородными.

По отношению к нормальному водородному электроду формула приобретает вид

Еh =0,29 ln [H⁺]/[H₂]

Выражают окислительно-восстановительный потенциал через Еh в милливольтах.

Для получения сравнимых данных по окислительно-восстановительным условиям в средах с различной величиной рН (так как рН влияет на напряжённость ОВК) Кларк предложил ввести показатель rН₂, который представляет отрицательный логарифм давления молекулярного водорода

rН₂ = Eh/30 + 2pH.

Таким образом определяется количественная характеристика окислительно-восстановительного состояния почвы и через величину rН₂. При rН₂ >27 преобладают окислительные процессы, при rН₂ <27 (22-25) – восстановительные процессы. При интенсивном развитии восстановительных процессов rН₂ менее 20.

В почвах при определении окислительно-восстановительного процесса электроды желательно устанавливать стационарно по профилю.

Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от её генетических свойств и состояния воздушного и температурного режимов. Поэтому различные почвы характеризуются своими особенностями в развитии окислительно-восстановительных процессов.

В подзолистых и дерново-подзолистых почвах нормального увлажнения окислительно-восстановительный потенциал составляет 550-750 мВ, в чернозёмах – 400-600 мВ, серозёмах – 350-400 мВ. Наиболее низкие потенциалы у длительно затопляемых почв (рисовых полей и болотных почв). При падении Еh до 200 и ниже начинается интенсивное развитие восстановительных процессов с типичными признаками оглеения.

Так как ОВ процессы в почве тесно связано с особенностями их состава, свойств и динамикой водно-воздушного, температурного и микробиологического режимов, то для большинства почв характерно неоднородность окислительно-восстановительного состояния их профиля.

Такая неоднородность проявляется в нескольких видах:

- в изменчивости ОВ состояния по генетическим горизонтам почв профиля; в пределах одного горизонта и отдельных его участках;

- в изменчивости ОВ состояния профиля почв и отдельных его горизонтов во времени.

Многие автоморфные почвы характеризуются пониженными показателями окислительно-восстановительного процесса в верхних горизонтах с постепенным их увеличением в нижних. Такой тип распределения окислительно-восстановительного процесса связан с микробиологическими процессами и особой ролью органического вещества, как фактора микробиологической активности.

В полугидроморфных почвах с грунтовым дополнительным увлажнением наиболее низкий окислительно-восстановительный потенциал свойственен нижним оглеенным горизонтам.

Для гидроморфных почв типична некоторая гетерогенность (неоднородность) ОВ состояния их профиля при преобладании восстановительных условий.

Неоднородность ОВ состояния в микрозонах одного и того же горизонта обусловлена различной микробиологической активностью в отдельных участках в связи с неоднородным распределением органического вещества, разными условиями увлажнения и газообмена.

Сезонная изменчивость водно-воздушного, температурного и микробиологических режимов определяет динамику окислительно-восстановительных процессов в почвах, т. е. их окислительно-восстановительный режим.

Под окислительно-восстановительным режимом почв следует понимать соотношение окислительно-восстановительных процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования.

Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

- почвы с абсолютным господством окислительной обстановки – автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь (чернозёмы, каштановые, серо-коричневые, бурые, полупустынные, серозёмы, серо-бурые);

- почвы с господством окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны. (автоморфные почвы таёжно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной и бурозёмо-лесной зоны);

- почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастной динамикой окислительно-восстановительных процессов характеризуются почвы с избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей, солонцов и других типов почв.

- почвы с устойчивым восстановительным режимом (болотные и гидроморфные почвы).

Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразовательный процесс и плодородие почв.

С этим процессом тесно связаны превращение растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических веществ, а следовательно, и формирование профиля почв.

Вопросы 54-58

Лекция 17. Органическое вещество почвы.

1. Источники органического вещества в почве, пути образования и состав.

2. Процессы превращения органических остатков в почве.

3. Современные концепции и процесс гумусообразования.

4. Гумус как динамическая система органического вещества почвы.

Строение, свойства и состав гумусовых веществ.

5. Комплексные органо-минеральные соединения.

6. Роль органического вещества в почвообразовании и плодородии почв.

7. Органическое вещество лесных почв.

8. Лесные подстилки, их классификация и влияние на почвообразовательные процессы.

9. Пути регулирования органического вещества лесных почв.

Наиболее существенной частью почвообразовательного процесса является взаимодействие между горной породой и организмами, в результате которого образуется почва. Образовавшаяся при этом взаимодействии почва имеет важную составную часть – органическое вещество, богатое химической энергией, которая в процессе разложения освобождается и рассеивается в форме тепловой энергии, выделяющейся при окислительных реакциях.

Органическое вещество почвы – это совокупность живой биомассы органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса.

Первичным источником органического вещества и биосферы являются так называемые первичные продуценты или автотрофы – организмы, способные к самостоятельному синтезу органического вещества из минеральных соединений. В наземных экосистемах основную часть первичной продукции производят зелёные растения.

В почву поступает первичное органическое вещество (остатки отмерших растений, и продукты их микробиологической трансформации) и вторичное органическое вещество (остатки отмерших животных).

Первичная продуктивность различных наземных экосистем составляет от 1-2 т/га в год сухого органического вещества (различные виды тундры) до 30-35 т/га в год (влажные тропические леса).

Количество поступающей в почву органической массы зависит от характера растительности. В агроэкосистемах под пропашными культурами в почве ежегодно накапливается 2-3 т/га растительных остатков, кукуруза даёт ежегодно10-12 т/га зелёной массы, многолетние травы – 7-9 т/га, луговые – 2,5-7 т/га. Значительный запас органического вещества поступает в почву с подземной частью растений. Масса корней в лесу составляет 10-12 т/га, на лугах – 7-18 т/га.

В лесных ценозах основная часть первичного органического вещества поступает с опадом. Количество подстилки зависит от зоны, состава, возраста, густоты насаждений и степени развития травянистого покрова.

Наибольшей биологической продуктивностью характеризуются влажные тропические и субтропические леса (500…410 т/га в год), затем дубравы (400 т/га), наименьшей – тундры (5,0 т/га).

По массе корней на первом месте стоят дубравы (96 т/га), на втором - влажные тропические и субтропические леса (82…90 т/га) и на последнем – пустыни, тундры (3,8…3,5 т/га). Относительная доля корневой системы в лесах невелика и составляет лишь 10-30 %. Как отмечает Ковригин С.А. (по данным М.И. Сахарова) содержание сухого вещества годового лесного опада для Брянского опытного лесничества составляет в сосняках-брусничниках (120 лет) 3230 кг/га, в сосняках лещиновых (120 лет) – 6935 кг/га, ельниках чернично-кисличниковых (70 лет) – 1920 кг/га, дубняках липняковых (110 лет) – 6046 кг/га, осинниках липняковых (50 лет) – 4766 кг/га.

Большой запас органического вещества образуется в травянистых ценозах, что связано со значительной массой тонких корней. В зоне степей масса мелких корней в метровом слое составляет 8…28 т/га, в зоне пустынь 3…12 т/га. Масса корневых систем травянистых растений в луговых ценозах колеблется от 60 до 80 %.

Поступление вторичных органических веществ микробиологического происхождения значительно меньше первичных для большинства почв 10…200 кг/год на гектаре.

В профиле различных типов почв распределение органических веществ неодинаково. В подзолистых почвах лесолуговой зоны главная масса органических веществ корней сосредоточена в верхней части профиля, в почвах лесостепной, степной и пустынно–степной зон корни распределены по профилю более равномерно.

Практически все органические вещества почвы перерабатываются микроорганизмами и представителями почвенной фауны. Конечным продуктом этой переработки являются минеральные соединения.

В элементарном составе органических остатков важнейшее место принадлежит четырём элементам: С, О, Н и N, из которых построены тела растений и животных.

Важнейшими органическими соединениями, встречающимися в растениях и животных, являются углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры, воскосмолы, дубильные вещества, вещества аллелопатической природы и вещества, образующие покровные ткани. Кроме органических соединений в состав тел растительных и животных входят зольные вещества.

Углеводы – широко распространены в растительном мире. Они разделяются на три группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды и являются одним из важнейших источников энергии для микроорганизмов и беспозвоночных животных, которые их разлагают.

Из углеводов в большом количестве в растительных остатках содержатся полисахариды, из которых наиболее распространена клетчатка или целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n. Клетчатка входит в состав клеточных стенок. В древесине хвойных лиственных пород её 50…60%, в листьях, хвое и остатках травянистых растений – 20…40%, во мхах 10…15%. В воде не растворяется, в крепких минеральных кислотах распадается на глюкозу.

К полисахаридам относятся гемицеллюлозы – вещества, сопутствующие клетчатке. Они являются полимерами пяти- и шестичленных моносахаридов. Гемицеллюлозы составляют от 15 до 30% массы растительных остатков, причём полиуронидов содержится 3…5%, и только в сфагновых мхах их содержание повышается до 15%.

Близки по химическому составу и строению к гемицеллюлозам пектиновые вещества, которые также постоянно сопутствуют клетчатке. Они содержат гексозы и пентозы.

К группе полисахаридов должен быть отнесён хитин (С₃₂Н₅₄О₂₁N₄), который представляет собой аналог клетчатки, но содержит азот. Он в значительных количествах входит в состав клеточных оболочек грибов и панцирей насекомых и ракообразных.

Лигнин – группа высокомолекулярных соединений своеобразного химического состава. (С₁₀Н₁₀О₃ или С₁₀Н₁₁О₃). От клетчатки отличается более высоким содержанием углерода и более низким кислорода. Клетчатка – С – 44,4% ,Н – 6,2%, О – 49,4%. Лигнин – С – 62…69%, Н – 56,5%, О – 26…33,5%. Лигнин входит в состав клеточных стенок в виде пропитывающего вещества. Содержание его может достигать 30…40%.

Азотистые вещества – представлены в основном белками, или протеинами. Белки составляют главную часть протоплазмы и ядра. Содержание их колеблется от 0,6 до 1% в древесине хвойных и лиственных пород, в хвое и листьях – 3,5…9,2%, в мхах – 4,5…8%, в сене злаковых многолетних трав 9,5…10,3%, в сене бобовых (клевер, люцерна) – 12,6…14,8%. В грибах содержится 10…50% белков, бактериях – от 40 до 80%. Содержание азота в среднем 16%, S – 0,3…2,4%, в некоторых фосфора до 0,08%. К числу азотистых соединений небелковой природы относятся хлорофилл и алкалоиды.

Жиры и близкие к ним вещества – представлены запасными веществами в семенах и плодах. Более высокое их содержание в водорослях, грибах и бактериях. Содержат 76…79% углерода, 11…13% водорода, 10…12% кислорода. Близки к жирам – воска, выполняющие защитную роль.

Смолистые вещества – имеют различное химическое строение. Это так называемая живица, выделяемая хвойными деревьями при поранениях, представляют раствор смол в эфирных маслах – терпенах. Терпены – непредельные углеводороды (С₁₀Н₁₆), смоляные кислоты – С₂₀Н₃₀О₂.

Дубильные вещества (танины) – производные многоатомных фенолов. Они хорошо растворяются в воде, легко окисляются, с белками дают устойчивые соединения, устойчивы к гниению. Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях, однако в низших и однодольных травянистых их мало. Значительное количество дубильных веществ содержится в древесине дуба (5…7%) и коре некоторых деревьев (ели – 5…16%, сосны – 6…18%, ивы – 2…15%, каштана – 15…27%), в полукустарниках – чернике до 20%, бруснике – 7…10%, толокнянке – 17…21%, в папоротнике и Иван-чае – до 10%.

Вещества покровных тканей – в состав покровных тканей (кора, оболочка пыльцы, и спор) входят суберин, кутин, спорополленины. Общим свойством их является большая устойчивость как по отношению к химическим реагентам, так и к воздействию микроорганизмов, благодаря чему эти соединения и состоящие из них растительные остатки хорошо сохраняются.

Зольные вещества – это вещества, остающиеся после сжигания растительных остатков. Содержание золы зависит от вида растений, его возраста, свойств почв. В среднем оно равно 5% от веса сухого вещества растительных остатков. Древесина – 1…2%, листья и кора деревьев – 4…6% золы, травянистые растения – 10-12 до 15%. Основную массу золы составляют Са, Мg, К, Na, Si, P, S, Fe, Al, Mn, Cl. В малых количествах встречаются – J, Zn, B, F и другие микроэлементы. В большом количестве в золе из перечисленных элементов встречаются Са, К, Si. В золе древесных растений преобладает кальций, в золе травянистых растений - калий. Содержание кремнезёма колеблется от 10 до 70% от веса золы, особенно много его в золе хвощей. Содержание фосфора составляет 2…10% от веса золы, в золе съедобных грибов его до 30%. Содержание Al₂О₃ в золе древесных пород может превышать 10%, в золе плаунов – 20…30%, в золе травянистой растительности – 1…2%.

Зольные элементы входят в состав различных соединений: калий содержится в протоплазме, в виде солей органических кислот в составе клеточного сока; кальций образует со щавелевой кислотой кристаллы соли (оксалаты кальция), входит в состав хлорофилла; фосфор и сера в состав белков. Основная часть органического вещества в пределах почвенного профиля представлена «мёртвым» запасом органических соединений.

Живая биомасса (эдафон), состоящая из корней, микроорганизмов, представителей почвенной фауны, составляет около 2…5% общего содержания органического вещества в разных почвах.

Процессы превращения органического вещества в почве. Отмершие органические остатки (листья, хвоя, ветки, сучья, куски коры, растительные остатки) поступают на поверхность почвы или в почву, в разные её горизонты (отмирающие корни, микроорганизмы, дождевые черви) и подвергаются различным процессам превращения.

Процессы превращения органических остатков в почве объединяются в три группы:

- химические – это химические, биологические, физико-химические процессы, совершающиеся вне клеток живых организмов, преимущественно под влиянием ферментов, или энзим, оставшихся в органических остатках, и при участии минеральных катализаторов;

- процессы, происходящие под непосредственным влиянием микроорганизмов;

- процессы, протекающие при участии живущих в почве животных.

Все группы процессов взаимосвязаны, совершаются одновременно и тесно переплетаются друг с другом.

Процессы, совершающиеся вне клеток. Ферменты, содержащиеся в растениях, животных и микроорганизмах, не сразу теряют свою активность после отмирания, а способствуют первичному разложению растительных остатков. Энзимы участвуют в процессах окисления ароматических соединений. Окислительные ферменты – оксиды вызывают побурение и почернение разлагающихся остатков.

Так, дубильные вещества переходят в флобафены, имеющие красный цвет, и которые являются источником гуминовой кислоты, относящейся к группе гумусовых веществ. При окислении лигнина образуется гуминовая кислота, ароматические аминокислоты окисляются до гумусоподобных веществ.

Под влиянием энзимов происходят реакции соединения сахаров с аминокислотами, дубильных веществ с белками, белков с лигнином. Реакции соединения моносахаридов с аминокислотами приводят к образованию чёрных, нерастворимых в воде коллоидных соединений, очень похожих на естественные гумусовые вещества. При взаимодействии белков с дубильными веществами образуются нерастворимые продукты, устойчивые против разложения микроорганизмами. При взаимодействии белка с лигнином образуется лигнино-протеиновый комплекс, сходный по свойствам с гуминовой кислотой.

Все рассмотренные реакции способствуют образованию тёмно окрашенных продуктов уплотнения и полимеризации, являющиеся началом образования гумусовых веществ.

Процессы, связанные с микроорганизмами. Деятельность микроорганизмов – наиболее важный фактор в разложении и превращении органических остатков в почве. Количество микроорганизмов в почве очень велико, а в совокупности их с обилием корней её можно представить как биокосное тело. Количество живых бактерий в слое почвы 0-25 см составляет 2-3 и 5-7 т/га (0,1-0,2% веса почвы), суммарная поверхность бактерий на 1 га гумусового слоя составляет около 500 га.

В разных почвах количество их меняется в широких пределах от 300-600 млн. на 1 г почвы в подзолах, до 1800-3000 млн. в серозёмах. В течение года их количество и состав сильно меняется: весной преобладают грибы, летом – бактерии, осенью – грибы. Больше всего их в верхних горизонтах, особенно в лесной подстилке, а также в прикорневой части почвы. Большая часть бактерий для своего существования требует готового органического вещества.

В значительно меньшем количестве встречаются бактерии, которые в качестве источника энергии используют процессы окисления простых химических соединений, образующихся при разложении растительных остатков. Это аммиак, сероводород, окись углерода, метан и другие.

Под влиянием микробов клетчатка растительных остатков в аэробных условиях разлагается до полной минерализации с образованием углекислоты и воды, а также наблюдается накопление продуктов жизнедеятельности бактерий в виде слизистых веществ. В анаэробных условиях при разложении клетчатки образуются уксусная и масляная кислоты, а также водород и метан (болотный газ).

Гемицеллюлозы в аэробных условиях (разлагаются) окисляются до СО₂ и Н₂О, в анаэробных условиях при их разложении образуются в большом количестве органические кислоты – муравьиная, уксусная, масляная.

Лигнин более устойчив против разложения, без доступа воздуха его разложение совсем прекращается. В анаэробных условиях актиномицеты и грибы – важнейшие разрушители лигнина – существовать не могут.

Жиры разлагаются в почве под влиянием бактерий и грибов. Под влиянием фермента липазы при расщеплении жиров образуется глицерин и свободные жирные кислоты. В аэробных условиях они окисляются полностью.

Воска, смолы, дубильные вещества в аэробных условиях окисляются быстро и легко. В анаэробных условиях воска не разлагаются, смолы полимеризуются и уплотняются, образуя битумы.

Белки довольно легко гидролизуются до аминокислот под влиянием фермента липазы, и в конечном итоге до аммиака.

Зольные вещества освобождаются в форме органических и минеральных соединений. Кальций, магний, калий, натрий освобождаются в виде солей органических веществ, а в дальнейшем по мере окисления они переходят в соли угольной кислоты.

Сера и фосфор в процессе превращения усваиваются микробами, частично окисляются до анионов серной кислоты.

Кремний освобождаются в виде растворимых в воде соединений, частично в виде ортокремниевой кислоты Н₄SiО₄, и частично в виде коллоидного гидрата.

Процессы превращения органических остатков, происходящие при участии живущих в почве животных. В почве обитает значительное количество животных, начиная с простейших (Рrotozea) широко распространены дождевые черви, многоножки, жуки, личинки, моллюски, муравьи, термиты. Число их в 1 м³ лесной почвы может достигать нескольких тысяч.

Биомасса почвенных беспозвоночных животных в почвах тундры – 70 кг/га, хвойных лесов – 200 кг/га, широколиственных – 1000 кг/га, степи – 250 кг/га, пустыни – 10 кг/га.

Живущие в почве животные измельчают растительные остатки, способствуя более быстрому их разложению, перемешивают растительные остатки с минеральной частью почвы и биологически перерабатывают остатки, которые являются их пищей.

Неусвоенная животными часть остатков выбрасывается в виде экскрементов, обогащённых кишечной бактериальной флорой. В экскрементах органические вещества тесно перемешаны с минеральными частицами, поступившими с пищей. Они обогащены доступными формами азотной и зольной пищи, биогенным кальцитом, что уменьшает кислотность почвы, улучшает её структурность.

Для лесных почв велико значение дождевых червей, энергично размельчающих и перемешивающих с минеральной частью почвы растительные остатки.

В лиственных лесах можно заметить опавшие листья, собранные в небольшие кучки, где находится норка червя. В лесных почвах, они перерабатывают до 1/5-1/3 и более или около 25 т/га общей массы растительного опада. В таких случаях лесная подстилка не накапливается, а к концу лета почти вся исчезает. В почве образуется хорошо выраженный гумусовый горизонт, в котором органическое вещество тесно связано с минеральной частью почвы. В таких почвах количество дождевых червей может доходить до 5 млн. на гектаре, а количество копролита достигать 35-40 т/га.

В хвойных лесах, где мало дождевых червей, слой полуразложившихся растительных остатков, густо переплетённых гифами грибов, накапливается на поверхности почвы, мощностью 8-10 см.

Скорость разложения опада осины, берёзы и липы в 1,5-3 раза повышается при присутствии дождевых червей.

Совокупность сложных биохимических, физико-химических и химических процессов превращения органических веществ индивидуальной природы в специфические гумусовые вещества, называется гумусообразованием или гумификацией.

Совокупность процессов биохимического окисления нерастворимых в воде органических остатков с образованием более простых, частично растворимых в воде минеральных и органических соединений под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов называется разложением.

Процессы образования тел микроорганизмов из более простых водорастворимых органических и минеральных соединений называется микробным синтезом.

Совокупность процессов превращения органических веществ в минеральные соли, воду и углекислоту называется минерализацией.

Современные концепции гумусообразования. Конденсационная (полимеризационная) концепция (А.Г. Трусов, М.М. Кононова, В. Фляйг) рассматривает процесс, состоящий из следующих звеньев:

- образование исходных структурных единиц для формирования гумусовых веществ; это продукты распада растительных тканей, отмерших микроорганизмов, их метаболизма и синтеза; к ним относятся СО₂, Н₂О, NН₃ и другие продукты; все компоненты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах продуктов распада, продуктов микробного метаболизма и продуктов распада и ресинтеза (вторичный микробный синтез);

- конденсация структурных единиц, осуществляемая путём окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз до хинонов и их взаимодействия с аминокислотами и пептидами (ответственное звено процесса формирования гумусовых веществ);

- поликонденсация (полимеризация) - химический процесс, характеризующий заключительное звено гумификации.

Концепция биохимического окисления (И.В. Тюрин, Л.Н. Александрова) рассматривает процесс гумификации как сложный био-физико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов распада органических остатков (белков, лигнина, полиуглеводов, дубильных веществ) в гумусовые вещества.

Главное значение в процессе гумификации придают реакциям медленного биохимического (ферментативного) окисления, в результате которого образуется система высокомолекулярных гумусовых кислот.

Возникающая система гумусовых кислот вступает во взаимодействие с зольными элементами минерализованных растительных остатков и с минеральной частью почвы, образуя ряд органо-минеральных комплексов. При этом формируются различные по сложности строения, свойствам и молекулярным массам фракции гумусовых веществ.

Менее дисперсная часть системы, образующая нерастворимые в воде с кальцием и полуторными окислами соли, формируется как группа гуминовых кислот. Более дисперсная фракция, дающая более растворимые соли, образует фульвокислоты.

Биологические концепции гумусообразования предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза микроорганизмов.

Данная точка высказана В.Р. Вильямсом, который объяснял качественную неоднородность гумусовых веществ почв участием в их образовании различных групп микроорганизмов – аэробных и анаэробных бактерий, грибов, и рассматривал различные группы гумусовых веществ, как экзоэнзимы разных групп микроорганизмов. Впоследствии учёными была показана возможность синтеза темноокрашенных гумусоподобных соединений различными группами микроорганизмов.

Характер и скорость гумусообразования зависят от условий почвообразования, а именно: водно-воздушного и теплового режимов, гранулометрического состава и физико-химических свойств почвы, состава и источника поступления органических остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразование протекает в аэробных и анаэробных условиях. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание оптимального гидротермического и водно-воздушного режимов и незначительное повторяющееся иссушение, что характерно для чернозёмов.

В аэробных условиях при достаточном количестве влаги и достаточной температуре (60…80 % полной влагоёмкости, 25…30^оС) разложение органических остатков развивается интенсивно, идёт быстрая минерализация промежуточных продуктов разложения и гумусовых веществ. В почве накапливается мало гумуса, но много элементов зольного питания и азота (серозёмы, почвы субтропиков). При постоянном и значительном недостатке влаги растительных остатков накапливается мало, что приводит к незначительному накоплению гумуса.

В анаэробных условиях (постоянный избыток влаги и низкие температуры) процесс разложения органических остатков замедляется, гумификация протекает слабо. Промежуточные продукты разложения содержат много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН₄, H₂S), угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. В результате органические остатки превращаются в торф – слаборазложившуюся и неразложившуюся массу органических остатков, частично сохранивших анатомическое строение.

Характер и скорость гумусообразования зависит от химического состава растительных остатков и источника их поступления в почву. Остатки травянистой растительности разлагаются непосредственно в почвенной толще (корни, богатые белками, углеводами и зольными элементами) в присутствии значительного количества оснований, особенно кальция, что определяет образование «мягкого» гумуса, равномерно пропитывающего минеральную часть почвы. Муллевый гумус формируется в почвах под лиственными или смешанными лесами с интенсивной деятельностью почвенной фауны.

Остатки древесной растительности, поступающие на поверхность почвы в виде наземного опада, бедны белками, содержат мало зольных элементов, но обогащены лигнином, восками, смолами, разлагаются в условиях сквозного промачивания подстилки атмосферными осадками при участии грибов с образованием большого количества органических кислот, нейтрализация которых затруднена вследствие интенсивного выщелачивания оснований. Кислая реакция подавляет развитие процессов гумификации и на поверхности почвы образуется гумус из полуразложившихся растительных остатков («грубый» гумус - мор).

Скорость гумусообразования зависит от видового состава микроорганизмов и интенсивности их жизнедеятельности. Наибольшее количество гумуса накапливается в почвах со средней биогенностью (показатель биогенности почвы – количество микроорганизмов, приходящихся на 1 г почвы), в чернозёме.

Гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы определяют интенсивность разложения растительных остатков. В песчаных и супесчаных почвах, хорошо аэрируемых и быстро прогреваемых, значительная часть растительных остатков полностью распадается, а образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения происходит медленнее, гумусовых веществ образуется больше, они хорошо закрепляются на поверхности высокодисперсных минеральных частиц и постепенно накапливаются в почве.

Химический и минералогический состав почвы определяет количество питательных веществ, реакцию среды и условия для закрепления гумусовых веществ в почве. Наличие значительного количества кальция в почве способствует образованию с гуминовыми кислотами нерастворимых в воде солей - гуматов кальция, и их закрепление. Закреплению гумуса в почве способствуют глинистые минералы типа монтмориллонита и вермикулита.

Сложный био-физико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений – гумусовые кислоты называется гумификацией, т. е. процесс превращения растительных остатков в гумусовые кислоты и соли. Процесс гумификации в различных почвах включает как реакции конденсации и полимеризации, так и биохимического окисления.

Состав уже сформировавшегося гумуса постоянно обновляется за счёт включения в их молекулы продуктов разложения свежих растительных остатков в виде отдельных фрагментов. Суть процесса состоит в том, что продукты разложения не формируют новую гумусовую молекулу, а включаются за счёт конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформировавшихся молекул, а затем после частичной минерализации, образуют более устойчивые циклические структуры. Таким образом, атомарный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счёт новых поступлений органического материала. Этот процесс изменения гумусовых веществ называется фрагментарным обновлением гумуса (А.Д. Фокин).

В профиле подзолистых почв обновление гумусовых веществ может происходить за счёт обменной молекулярной сорбции гумусовых молекул, поступающих в составе почвенного раствора из зоны формирования гумуса (лесная подстилка) в минеральную часть профиля. Этот механизм назван молекулярным обменно- сорбционным обновлением.

Количественной характеристикой процесса гумификации является коэффициент гумификации (К_Г), показывающий какая доля углерода С (в %) органических остатков, претерпевающих превращения, трансформировалась в гумусовые вещества после полного разложения органических остатков.

В процессе гумификации выделяется ряд этапов. Начальный этап – этап биохимического окислительного кислотообразования, т.е. происходит формирование системы гумусовых кислот, которые в дальнейшем подвергаются длительным и сложным процессам трансформации. В это же время формируется азотистая часть молекулы гумусовых кислот, т.е. образуется группа гуминовых и фульвокислот. В результате взаимодействия с минеральной частью почвы образуются органо-минеральные соединения.

На второй стадии происходит нарастание ароматизации вследствие деструкции алифатических цепей путём гидролиза и процессов окисления при участии окислительных ферментов.

Скорость и характер гумификации зависит от следующих факторов:

- количества и характера растительных остатков;

- химического состава растительных остатков;

- режима влажности и аэрации;

- реакции среды;

- окислительно-восстановительных условий;

- интенсивности микробиологической деятельности;

- группового состава микроорганизмов;

- гранулометрического, минералогического и химического состава минеральной части почвы.

Анализ этих факторов позволил (Л. Н. Александровой) охарактеризовать основные типы гумификации в почве по соотношению гуминовых кислот к фульвокислотам (С_ГК:С_ФК): фульватный (<0,5), гуматно-фульватный (1-0,5), фульватно-гуматный (1-1,5), гуматный (>1,5).

Д.С. Орлов ввёл понятие глубины гумификации, характеризующее процесс гумификации в разных типах почв.

Н= f(Q, J, t), где – Q - общая масса ежегодно поступающих и гумифицирующихся растительных остатков; J - интенсивность их трансформации, пропорциональная биохимической активности почв;

t - биохимически активное время (близкое к длительности вегетационного периода).

Гумус как динамическая система органического вещества почвы. Наличие многочисленных функциональных групп обусловливает разнообразные взаимодействия гумусовых веществ практически со всеми компонентами почв. В природном почвообразовании гумусовые вещества активно взаимодействуют с минеральными соединениями почвы, что придаёт стабильность гумусу и способствует формированию специфических почвенных аккумуляций гумуса, макро- и микроэлементов минерального питания, приводит к характерному агрегатообразованию. Другие типы взаимодействия, наоборот, увеличивают лабильность минеральных компонентов, способствуя их выносу за пределы профиля.

В зависимости от разнообразия форм в генезисе и плодородии почв органическое вещество почвы подразделяется на лабильную (мобильную) часть и стабильную.

Мобильную часть составляют растительные остатки разной степени разложения, предгумусовая фракция (детрит) и подвижные формы гумусовых веществ (водорастворимая и слабозакреплённая минеральными соединениями часть гумуса). Эта группа является эффективным источником элементов питания растений, и он сбалансирован по макро- и микроэлементам. Лабильная группа является первостепенным источником энергии и пищи для почвенной биоты. Растительные остатки улучшают физические и физико-механические свойства почвы.

Стабильная часть представлена гумусовыми веществами, прочно закреплёнными минеральными соединениями (гумин, гуматы кальция, гумино-глинистые комплексы). Это устойчивая, медленно минерализующаяся часть органического вещества (время его обновления сотни и тысячи лет). Стабильный гумус – потенциальный резерв многих элементов питания.

Наибольшее его агрономическое значение заключается в формировании благоприятных физических, водно-воздушных, физико-механических свойств, в выполнении почвозащитной санитарной функции, в противоэрозионной устойчивости почв. При недостатке лабильных форм идёт быстрое разложение стабильного гумуса и потери органического вещества почвы, т.е. наблюдается процесс дегумификации органического вещества.

Органическое вещество почвы состоит из органических остатков отмерших организмов (в основном растений) в разной степени затронутых разложением и продуктов их гумификации – гумусовых веществ.

Неразложившиеся остатки растений и животных, которые видны в образце почвы невооружённым глазом или под лупой, составляют 5…10% общего содержания органического вещества неживой фазы большинства минеральных почв.

Гумус – основная часть органического вещества почвы, полностью утратившая черты анатомического строения организмов. Делится на две большие группы:

- неспецифические органические соединения, которые могут быть выделены из почвы, идентифицированы и полностью определены (сахара, аминокислоты, белки, органические основания, дубильные вещества, органические кислоты). В большинстве минеральных почв составляют 10…15 % общего содержания органического вещества;

- специфические гумусовые соединения – наиболее характерная специфическая часть, составляющая около 80…90% общего содержания органического вещества в большинстве минеральных почв.

Гумусовые вещества – представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений, объединённых общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения.

Общность строения, состава и свойств гумусовых веществ проявляется в

- специфической окраске, варьирующей от тёмно-бурой, почти чёрной до красновато-бурой и оранжевой для различных групп и фракций гумусовых веществ;

- в наличии во всех группах гумусовых веществ циклических и алифатических фрагментов, содержащих 3…6% гетероциклического азота;

- в большом разнообразии веществ по молекулярным массам, лежащим в пределах от 700 до 800 до сотен тысяч;

- по общности элементарного состава (С, О, Н, N) с содержанием углерода от 30 до 62% и азота от 2,5 до 5% в различных группах и фракциях;

- в кислотных свойствах, обусловленных карбоксильными группами

(-СООН);

- наличие негидролизуемого азота в количестве 25…30% от общего;

- высокая способность к соле- и комплексообразованию.

Гумусовые вещества по растворимости и экстрагируемости делят на две большие группы: фульвокислоты (ФК), гуминовые кислоты (ГК) и гумин, и группа гиматомелановых кислот.

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, более низкими молекулярными массами, чем гумусовые вещества, меньше содержат углерода; обладают более выраженными кислотными свойствами и склонностью к комплексо- и хелатообразованию; имеют более светлую окраску, чем вещества других групп; преобладают в почвах подзолистого типа, краснозёмах, некоторых почвах тропиков, серозёмах.

Гуминовые кислоты – нерастворимая в минеральных и органических кислотах группа гумусовых соединений; имеют более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62%), менее выраженный кислотный характер; преобладают в чернозёмах, в каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново- подзолистых.

Гумин – неэкстрагируемая часть гумуса. Представлена гумусовыми веществами, наиболее прочно связанными с глинистыми минералами (глиногумусовый гумин) и частично разложившимися растительными остатками, утратившими анатомическое строение и обогащёнными наиболее устойчивыми компонентами, прежде всего, лигнином (детритный гумин).

Гиматомелановые кислоты – группа гумусовых веществ с промежуточными свойствами между фульвокислотами и гуминовыми кислотами. Ранее включались в группу гуминовых кислот. Отличаются от последних растворимостью в полярных органических растворителях и другими свойствами.

В структуре молекул гуминовых кислот различают наиболее устойчивую ядерную часть, структура которой представлена циклическими соединениями, которыми наиболее обогащены ГК чернозёмов, и в меньшей степени ГК и ФК подзолистых почв; и периферическую часть (относительное содержание периферических фрагментов возрастает от ГК чернозёмов к ФК подзолистых почв) – более динамичную, легко поддающуюся деструкции, и состоящую из углеводов и аминокислот.

Для строения гумусовых веществ характерно наличие различных функциональных групп (карбоксильных, спиртовых, фенольных гидроксилов, аминогрупп, карбонильных и т.д.), определяющих их свойства, а именно, кислотную природу, способность к обменному поглощению катионов, к соле- и комплексообразованию. Эти свойства определяют активное взаимодействие гумусовых веществ с минеральными компонентами почвы (ионами, глинными минералами, оксидами железа и алюминия) и динамичность системы органического вещества. Гумусовая оболочка Земли – аккумулятор и распределитель энергии в масштабе всей планеты, а энергия, накопленная гумусом, используется даже в поверхностных горизонтах горных пород для протекания химических процессов, связанных с образованием химической связи минералов.

Образование комплексных органо-минеральных соединений происходит при различных типах взаимодействия гумусовых веществ с компонентами минеральной части почвы.

Сорбция гумусовых веществ минеральными соединениями твёрдой фазы почвы, может протекать с участием различных механизмов: ионного обмена, хемосорбции, комплексообразовательной сорбции, интермицелярного поглощения органических веществ с не слишком высокой молекулярной массой глинистыми минералами с разбухающей кристаллической решёткой.

Образующиеся продукты называют сорбционными комплексами, глиногумусовыми комплексами, минералоорганическими соединениями.

Сорбция гумусовых веществ минеральными соединениями способствует формированию специфических органо-минеральных соединений твёрдой фазы почв, закреплению их в почве и развитию гумусо-аккумулятивных горизонтов, стабилизации гумусового профиля и образованию водопрочных агрегатов и микроагрегатов. Данный тип взаимодействия следует рассматривать как фактор стабилизации химических, физико-химических и физических свойств почвы.

Образование комплексно-гетерополярных солей происходит при взаимодействии гумусовых кислот с поливалентными металлами: Fe³⁺, Al³⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺. Характерная особенность этих соединений – вхождение металла в анионную часть молекулы и неспособность его к реакциям ионного обмена.

М⁺ - катионы Fe(OH)₂⁺, Fe(OH)²⁺, Al(OH)₂⁺ и т.д.

Значение этого типа взаимодействия для образования профиля почвы и формирования её свойств состоит в том, что наличие солей данного типа существенно изменяет растворимость и межфазовое распределение, миграцию и аккумуляцию, доступность растениям соединений поливалентных металлов, особенно в почвах, богатых органическими веществами. В почвах подзолистого типа установлена преимущественно миграция ряда элементов по профилю в форме комплексных соединений и возможность их поступления в растения.

Образование комплексных гетерополярных солей может происходить в твёрдой фазе при взаимодействии с сорбированным органическим веществом. Данный тип взаимодействия может приводить к необменному комплексообразовательному поглощению поливалентных катионов твёрдой фазой почвы.

В условиях техногенных загрязнений образование комплексно-гетерополярных солей наблюдается с ионами металлов загрязнителей Zn, Cu, Cd, Co, Sr и др. Комплексно-гетерополярные соли могут взаимодействовать с растворимыми фосфатами, многими пестицидами, изменяя их подвижность, межфазовое распределение и поступление в растения.

Образование простых гетерополярных солей наблюдается при взаимодействии гумусовых кислот с ионами щелочных и щёлочно-земельных металлов и ионами аммония.

Во взаимодействии участвуют карбоксильные и фенолгидроксильные группы, но ионы металла при таком типе взаимодействия обмениваются с другими катионами почвенного раствора. Образующие гуматы и фульваты щёлочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы и фульваты кальция и магния плохо растворимы и образуют гумусовые аккумуляции в почвах, насыщенных основаниями.

Взаимодействие гумусовых веществ с химикатами и загрязнителями. В условиях антропогенного воздействия на агроэкосистемы и природные системы исключительное значение приобретают взаимодействие гумусовых кислот с агрохимикатами и загрязнителями. Гумусовые вещества активно влияют на поведение в почвах питательных элементов минеральных удобрений, а также различных загрязнителей, в том числе и радиоактивных. Гумусовые вещества, взаимодействуя с минеральными компонентами твёрдой фазы почвы, формируют её сорбционные свойства. В связи с этим любые соединения, поступающие в почву из вне, взаимодействуют с органическим веществом, как твёрдой фазы почвы, так и почвенного раствора.

Органические вещества почв играют разнообразную роль в превращениях отдельных компонентов минеральных удобрений, химических мелиорантов, пестицидов и различных загрязняющих веществ, которая проявляется в следующем:

- органическое вещество способствует в кислых почвах мобилизации элементов минерального питания из труднорастворимых фосфатов (фосфора из фосфоритной муки, ускоряет растворение извести, гидролитическое расщепление пестицидов);

- вызывает переход в почвенный раствор сорбированных фосфатов, замещая последние в составе почвенного сорбционного комплекса;

- участвует в обменном и необменном поглощении катионов, входящих в состав минеральных удобрений, химических мелиорантов, пестицидов, радионуклидов, тяжёлых металлов; сорбированные гумусовые вещества препятствуют взаимодействию агрохимикатов и токсикантов с минеральной частью почвы, снижая масштабы прочной фиксации фосфатов и катионов;

- снижает переход фосфатов в труднорастворимые соединения вследствие активного взаимодействия с катионами, участвующими в осаждении фосфатов (Fe³⁺, Al³⁺,Са²⁺ и др.);

- в ряде почв установлена возможность образования сложных растворимых минерально-гумусовых соединений, содержащих Fe³⁺, Al³⁺, и фосфор, что создаёт условия для его миграции;

- катионы щелочных минеральных удобрений (жидкий аммиак, аммиачная вода, калийные удобрения) могут образовывать в почве растворимые гуматы, что влияет на состояние гумуса и элементов минерального питания;

- растворимые гумусовые вещества могут взаимодействовать с катионами тяжёлых металлов, радионуклидов и оказывают влияние на миграцию, аккумуляцию и поступление в растения токсичных элементов;

- гумусовые вещества регулируют поведение пестицидов в почве.

Взаимодействуя с функциональными и структурными группировками почвенного гумуса, пестициды могут гидролизовываться, сорбироваться, что обеспечивает безопасность продукции.

Роль органического вещества в почвообразовании и плодородии почв. Органическое вещество почвы играет разнообразную роль в формированиии характерных признаков почвы, в протекании процессов трансформации, массопереноса и питания растений. Различные группы гумусовых веществ органического вещества выполняют значимую, но различную роль в почвообразовании, плодородии и питании растений. Все функции, выполняемые различными группами органических веществ в процессах, составляющих биогеохимический круговорот, и участвующих в формировании плодородия и других свойств почвы можно объединить в следующие группы.

1. Функции, связанные с генезисом почв, формированием её морфологических признаков, вещественного состава и свойств:

- формирование специфического органопрофиля;

- агрегатообразование с участием гумусовых и глиногумусовых соединений; взаимодействие гумуса с минералами и формирование микробиологически и термодинамически устойчивых структур (создание водопрочной комковато-зернистой или зернистой и мелкокомковатой почвенной структуры);

- формирование сложения, химических, биологических свойств почвы и влияние гумусовых веществ на поглотительную способность, водно-физические, тепловые свойства почвы;

- формирование лабильной части гумуса и вовлечение минеральных компонентов почвы в биогеохимический круговорот;

2. Функции, связанные с непосредственным участием органических веществ в питании растений.

- источник элементов минерального питания высших растений (N, P, K, Ca, микроэлементов);

- источник органического питания для гетеротрофных организмов и влияния на биологическую и биохимическую активность почв (гуминовые вещества влияют на физиологические и биохимические процессы растений, а именно: увеличивается количество хлорофилла, усиливается кислородный обмен, стимулируется корнеобразование; фульвокислоты способствуют интенсивному поступлению в растения элементов питания);

- источник СО₂ в приземном слое воздуха и влияния на продуктивность фотосинтеза (почва обеспечивает 65 % углекислого газа, необходимого для процесса фотосинтеза);

- источник биологически активных веществ в почве, оказывающих влияние на рост и развитие растений, мобилизацию питательных веществ и т.д. (природные ростовые вещества, ферменты, витамины и др.).

3. Санитарно-защитные функции органического вещества:

- ускорение микробиологической деградации пестицидов, каталитическое влияние на скорость их разложения;

- закрепление загрязняющих веществ в почвах (сорбция, комплексообразование и т.д.), снижение поступления токсикантов в растения;

- усиление миграционной способности токсикантов.

Необходимо отметить, что все компоненты органического вещества – живые организмы, органические остатки и гумус – одинаково ценны и необходимы для почвообразования и создания плодородия почвы.

Органическое вещество лесных почв. Отличительной чертой процесса почвообразования под пологом леса является то, что подавляющая часть растительного опада в лесу поступает на поверхность почвы. В то время, как под травянистой растительностью большую часть растительного опада составляют корневые остатки, поступающие в верхние горизонты почвы. Корневых остатков в лесу значительно меньше, чем наземных. В лесах с травянистым покровом поступление корневых остатков в почву значительно выше.

Процессы превращения растительных остатков в лесу в зависимости от условий сильно различаются, вследствие чего накопление гумуса и его распределение в лесных почвах различные.

Несмотря на то, что к растительным остаткам в лесу имеется свободный доступ кислорода и хороший отток избыточной влаги, быстрого разложения их не происходит. Это связано с тем, что в самих растительных остатках имеются основания, которые нейтрализуют образующиеся кислоты, что способствует замедлению скорости их разложения. Кроме того, уже в начальных стадиях разложения наиболее важные основания окиси кальция и магния – почти целиком переходят в подвижное состояние и легко могут быть вымыты из разлагающей массы. Быстрой потере значительной части оснований способствует и нахождение растительных остатков на поверхности почвы.

При наличии условий, замедляющих разложение растительных остатков, происходит быстрое вымывание оснований, вследствие чего разложение замедляется, на поверхности образуются кислые продукты разложения – растворимые и нерастворимые. Растворимые вымываются в нижележащие минеральные слои. Гумус в верхних слоях минеральной толщи накапливается в небольших количествах, вследствие чего, горизонт А₁ выражен плохо, реакция его сильно кислая. Нерастворимые кислые продукты накапливаются на поверхности, образуя лесную подстилку, толщиной 8-10 см; при большей толщине она приобретает характер торфа (гумус типа мор).

К числу основных условий замедляющих разложение растительных остатков относятся:

- влажный и прохладный климат (избыточная влага и низкие температуры);

- сомкнутость насаждений (недостаточная освещённость задерживает разложение);

- состав насаждений (в хвойных насаждениях разложение идёт медленнее вследствие наличия смолистых веществ, действующих антисептически);

- малая водопроницаемость материнской породы, влекущая за собой застой влаги, а следовательно, ухудшению аэрации и замедление разложения;

- горизонтальность поверхности (застой влаги);

- бедность почвы и породы основаниями, особенно кальцием, что влияет на его содержание в растительных остатках;

- отсутствие в почве дождевых червей, перемешивающих растительные остатки с минеральной частью почвы.

При формировании органического вещества типа «мор» образуется двухслойная подстилка, медленно разлагающаяся, переплетённая гифами грибов, уплотнённая, отчётливо отделяющая от нижележащего минерального горизонта (обычно горизонта А₁ или А₁А₂).

В разложении подстилки принимают участие преимущественно грибы, дождевые черви отсутствуют, реакция сильнокислая.

При быстром разложении растительных остатков лесная подстилка имеет толщину около 2 см, нередко тоньше и к концу лета может исчезнуть.

При этом образуется хорошо выраженный гумусовый горизонт А₁, значительной мощности. Формируется он за счёт отмирания корней травянистой растительности, которая хорошо развита, и за счёт разложения древесных остатков, а также за счёт вмывания в почву небольшого количества воднорастворимых продуктов разложения. Реакция подстилки и горизонта А₁ слабокислая.

Быстрому разложению способствуют следующие условия

- тёплый климат;

- разреженность насаждения, обеспечивающая достаточный приток света, тепла, влаги;

- смешанный состав насаждения или преобладание лиственных пород, опад которых быстро разлагается;

- отсутствие застоя (влаги) воды, обусловливаемое хорошей водопроницаемостью почвы и породы и наличием стока (склона);

- богатство почвы и породы кальцием, повышающее содержание его в растительных остатках;

- наличие почвенной фауны, способствующей перемешиванию разлагающихся остатков с минеральными частицами.

В этих условиях образуется гумус типа мулль. Скорость разложения растительных остатков и скорость их выщелачивания зависит от воздействия всех вышеперечисленных факторов.

В муллевом типе органического вещества подстилка однослойная, так как нижняя гумифицированная часть её сильно перемешана с минеральной частью почвы и соответствует гумусовому рыхлому, крупитчатому или мелко-комковатому горизонту А₁ повышенной мощности.

Разложение опада идёт с большим участием дождевых червей, бактерий, грибов и актиномицетов и в тесном взаимодействии с минеральной частью почвы; реакция нейтральная или слабощелочная.

Лесоводы издавна различали накопление двух форм органического вещества (датский лесовод Мюллер): «мор» (грубый гумус), и «мулль» (мягкий гумус).

Мулль полностью соответствует современному пониманию термина «гумус», это собственно гумус минеральной части почвы, а мор – лесная подстилка.

Однако существует ещё много переходных форм, для которых характерно наличие и лесной подстилки и гумусового горизонта А₁.

Немецкие лесоводы – почвоведы предложили термин «модер» для переходных форм. Он может подразделяться по различным признакам, и свойственен смешанным хвойно-лиственным и чистым лиственным насаждениям, но может встречаться и в хвойных насаждениях.

Подстилка почвы с органическим веществом типа «модер» средней рыхлости, состоит из двух или трёх слоёв. Под слоем слаборазложившегося опада, на границе с ясно выраженных гумусовым комковато-слоеватым горизонтом А₁ (7-10 см), имеется хорошо разложившаяся перегнойная часть около 1 см мощности, постепенно переходящая в нижележащий горизонт.

В разложении подстилки дождевые черви принимают незначительное участие, а в составе микрофлоры грибы начинают преобладать над бактериями; реакция почвы слабокислая.

Лесная подстилка имеет следующее строение:

Ао¹ – опад, состоящий из свежеопавших бурых листьев, хвои, веточек, неразложившегося опада, мощностью 1..3 см, обозначается буквой L (Laub – листва);

Ао² – средний слой различной мощности из полуразложившегося опада светло-бурого цвета, переплетённый гифами грибов и корнями растений, т.е. слой медленного разложения и ферментизации вещества, (обозначают буквой F – fermentation - ферментация: слой, находящийся в стадии разложения);

Ао³ (слой гумификации) – нижний слой сильно разложившегося опада с трудно различимыми остатками, почти чёрный или чёрно-бурый, мажущийся, равномерно перемешанный, нередко оструктуренный, тесно связан с минеральной частью почвы (обозначают буквой Н – Нumus).

Различия между описанными типами органического вещества в лесных почвах преимущественно качественные, а не количественные. Запас органического вещества в них зависит от условий увлажнения. В почвах повышенного увлажнения общий запас органического вещества типа «мор» может накапливаться до 21 кг/м², типа мулль – 40 кг/м², а в умеренно влажных почвах – 22 и 17 кг/м² соответственно.

Однако в профиле почв разница в распределении органического вещества очень резкая. В почвах с «муллем» в подстилке содержится не более 10% органического вещества, при типе «мор» на долю подстилки приходится до 40% общего запаса. Причём, в муллевых почвах большая часть органического вещества содержится в минеральных горизонтах, а в почвах типа «мор» - в горизонте подстилки.

Значительные различия наблюдаются в составе органического вещества. Муллевые почвы содержат азота – 5,7% в среднем, почвы типа «мор»– 3,2%. Соотношение углерода к азоту в почвах типа «мор» шире, чем в муллевых почвах. В почвах типа «мор» больше битумов.

При переходе от «мора» к «модеру» и «муллю» изменяются и другие свойства органического вещества: уменьшается кислотность, увеличивается зольность, степень насыщенности основаниями и интенсивность разложения.

Наиболее высокие запасы подстилки наблюдаются в лесах северной и средней тайги. В северных сосняках-черничниках запасы подстилки могут достигать 90 т/га, в сосняках-долгомошниках – 105 т/га, в Московской области – 72 и 103 т/га соответственно, в Брянской области – 39 т/га, в брусничниках – 35-45 т/га.

В лесных ценозах опавшая часть растений не успевает разложиться за один год и накапливается на поверхности почвы в виде небольшого слоя листьев, хвои, ветвей, образуя лесную подстилку, чаще всего под пологом деревьев с сомкнутыми кронами. Толщина её различна, от 0,5 до 15 см, в хвойных лесах она больше, в лиственных меньше. В зависимости от состава, возраста и густоты насаждений запасы лесной подстилки колеблятся от 10 до 100 т/га. Она легко отделяется от минеральной части почвы.

В зависимости от характера опада, являющегося исходным материалом для образования, подстилки (по Н.Н. Степанову) делят на три типа: муллёвая хорошо разложившаяся тёмно-бурая или тёмно-серая, перемешанная с минеральной частью почвы, сверху имеющая небольшой рыхлый слой быстро разлагающегося опада; модермуллёвая – имеющая все три слоя лесной подстилки; грубогумусная или мор, состоящая преимущественно из первых двух слоёв. Муллёвые подстилки чаще всего образуются под лиственными или смешанными лесами, грубогумусные под хвойными лесами или на переувлажнённых участках.

Лесные подстилки, покрывая поверхность почв, поддерживают верхний слой почвы в рыхлом состоянии, способствуют свободному проникновению влаги вглубь почвы и препятствуют её испарению. В них содержится значительный запас элементов питания, обеспечивающий жизнь лесных насаждений в течение длительного времени. Они являются благоприятной средой для развития грибов и бактерий, производящих их минерализацию.

Содержание органического вещества и его качество можно регулировать агротехническими, агрохимическими и лесоводственными приёмами, а именно: механической обработкой почвы, внесением органических удобрений, посевом сидератов и многолетних трав, известкованием кислых и гипсованием щелочных почв.

В древесных насаждениях влияние на качество и количество органического вещества можно осуществить путём замены чистых хвойных насаждений смешанными и сложными с участием лиственницы, берёзы, липы и других почвоулучшающих пород, а также кустарников (лещины, рябины, бузины, жимолости обыкновенной), и регулирования скорости разложения лесной подстилки, разбрасывания порубочных остатков на вырубках сухих и свежих боров и т.д. Для улучшения азотного режима целесообразно введение в состав насаждений пород, усваивающих атмосферный азот: акация, ольха, дрока, ракитник и др., а на лёгких почвах рекомендуются посевы люпина.

Вопросы 60-63

ЛЕКЦИЯ 18 Биологические свойства почвы

1. Состав и количество микроорганизмов.

2. Ферментативная активность почвы.

3. Нитрификационная и азотфиксирующая способность почвы.

4. Интенсивность разложения целлюлозы.

5. «Дыхание» почвы.

6. Фитосанитарное состояние почвы.

7. Методы определения биологических свойств почв.

Уровень плодородия обусловлен взаимодействием климатических, физических, химических и биологических факторов. В формировании практически всех физических, химических и биологических свойств почвы, участвует органическое вещество, и функции, выполняемые им, являются элементами почвенного плодородия.

К биологическим свойствам почвы относятся следующие: количество и состав микроорганизмов; содержание гумуса в почве и его качественный состав; нитрификационная и азотфиксирующая способность; интенсивность разложения целлюлозы; «дыхание» почвы (интенсивность выделения СО₂ из почвы); ферментативная активность; фитосанитарное состояние почвы.

Почва – природное биокосное тело, которая наряду с её составляющими – твёрдой, жидкой и газообразной фазами, содержит живую фазу или живое вещество. Почвенное население не только живёт в почве и использует её как среду обитания, но и преобразует её, то есть почва – это среда обитания и одновременно продукт жизнедеятельности населяющих её живых существ.

В процессе биологического круговорота, в котором участвует живое население почв, происходит преобразование вещества и энергии, составляющие сущность и основу почвообразования:

- разложение растительных остатков, синтез, трансформация и деградация гумусовых веществ;

- вовлечение элементов из литосферы в процессе разрушения минералов почвообразующей породы;

- создание вторичных минералов;

- аккумуляция и миграция веществ.

Три источника плодородия непосредственно связаны с деятельностью микробного мира почв:

- снабжение растений элементами питания за счёт разрушения минеральной части почвы, породы;

- вовлечение в биологический круговорот солнечной энергии, закреплённой растениями в химических связях, путём её освобождения и преобразования при разложении и синтезе новых органических соединений, что в конечном итоге приводит к формированию гумуса - основного энергетического фонда почвы;

- связывание молекулярного азота и перевод его в доступные для растений формы соединений.

Живая часть почвы – это многочисленные популяции и группы популяций разнообразных микроорганизмов, различающихся по экологическим функциям и таксономическому положению – «почвенная биота».

По способу питания и типу строения выделяются различные экологические группы существ по трём уровням организации.

Продуценты – царство растений – многоклеточные организмы с тканевым строением и эукариотическим типом клетки (обособленное ядро) и одноклеточные и многоклеточные фотосинтезирующие организмы с эукариотической клеткой (водоросли).

Редуценты и консументы (гетеротрофы) - потребители органического вещества, различающиеся по типу питания (адсорбционный или осмотрофный и голозойный - переваривание твёрдых частиц).

Осмотрофные организмы (осмотрофы) составляют экологическую группу редуцентов – разлагателей всех органических остатков, заключительное звено в биологическом круговороте веществ, имеют микроскопические размеры и сосредоточены в основном в почвах (бактерии и грибы).

Консументное звено (консументы – потребители) представлено животными двух уровней организации - многоклеточными с тканевым типом строения и одноклеточными простейшими.

Из выделенных групп формируются четыре царства живой природы:

- растения (Plahtae) – фотосинтезирующие организмы – эукариоты; первичные продуценты органического вещества;

- животные (Ahimalia) – эукариотические организмы с голозойным типом питания: от одноклеточных простейших до сложных организмов с тканевым строением тела и наличием специализированных органов; потребители органических веществ на разных трофических уровнях;

- грибы (Mukota) – эукариотические организмы с адсорбционным типом питания, одноклеточные и мицелиальные, иногда образующие ложные ткани; главные разлагатели органического вещества;

- прокариоты (Рrocapuotae) – доядерные, преимущественно одно-клеточные и нитчатые микроскопические организмы; тип питания может быть автотрофный и гетеротрофный.

Растения – основные первичные продуценты, составляющие ядро наземных биогеоценозов. С продукции органического вещества начинается биологический круговорот элементов на нашей планете. Он включает поступление элементов из почвы и атмосферы в растения, биосинтез ими полимерных веществ и последующее разложение мёртвых остатков микроорганизмами с возвращением элементов в почву и атмосферу, В результате биологического круговорота происходит обогащение почвы органическим веществом, азотом, элементами минерального питания, которые вновь поступают в растения.

Почвенные водоросли – экологическая группировка тех видов водорослей, жизнь которых постоянно связана с почвой. Они являются первичными продуктами органического вещества, их биомасса при благоприятных условиях легко разлагается, т. е. минерализуется, и служит пищей для беспозвоночных животных.

Водоросли оказывают влияние на кислородный режим почв, накопление азота и структуру почв, они могут быть биоиндикаторами газового и солевого режима почвы, загрязнённости почв промышленными отходами.

Почвенные животные – потребители органического вещества, производимого растениями и водорослями.

Часть растительной массы отчуждается на «корню» животными – фитофагами, другая часть поступает в сапрофитный ярус, в котором происходит потребление и разложение мёртвых растительных остатков. В этой части почвенные животные выступают как активные преобразователи органической массы, хотя их роль как разлагателей менее значительна, чем грибов и бактерий.

Почвенные животные оказывают существенное влияние на химизм почв, образование гумуса, структурные свойства, биологическую активность и в целом на почвенное плодородие.

Почвенные животные делятся на три группы: геобионты – постоянные обитатели почв (дождевые черви, многоножки, ногохвостки); геофилы – живущие в почве на протяжении части жизненного цикла (личинки, хрущи, щелкуны); геоксены – лишь временно укрываются в почве (вредная черепашка, и другие).

Учитывая особенности образа жизни и влияние на почву животных разных размеров, их делят на три группы: микро, – мезо, – макрофауну. Иногда из первой вычленяют нанофауну, из последней – мегафауну.

Нанофауна представлена простейшими одноклеточными организмами, живущими в водной фазе почвы, в почвенных порах, заполненных водой, и больше являются гидробионтами.

Микрофауна – многоклеточные микроскопические животные (коловротки, нематоды, тихоходки), живущие во влажных средах (в порах или камерах, заполненных водой), и могут быть отнесены к гидробионтам.

Мезофауна объединяет разнообразную и многочисленную часть животного населения, которые видны простым глазом или под лупой (мокрицы, пауки, многоножки–симфиллы, черви – энхитреиды), живущие в полостях, и способны к вертикальной миграции по скважинам и крупным порам.

Макрофауна представлена дождевыми червями, многоножками, личинками насекомых. Они роют норки и по ним передвигаются.

Мегафауна – крупные животные, млекопитающие – землерои, гигантские черви, которые живут в почве постоянно, другие – норники, выходят питаться на поверхность почвы, оказывают сильное механическое воздействие на почву, вызывая перемещение масс.

Простейшие (Рrocozoa) – микроскопические одноклеточные животные, нанофауна почв, живут при наличии воды, при недостатке переходят в состояние цист, питаются клетками дрожжей и водорослей, разлагают органическое вещество. Сюда относятся: жгутиконoсцы, саркодовые, или корненожки, включают голые и раковинные амёбы и инфузории.

Почвенные грибы – эукариотические организмы, размножаются спорами. Представляют самую крупную группу, участвующую в разложении (минерализации) органических остатков растений и животных, и в образовании почвенного гумуса.

Среди почвенных грибов выделяют пять экологических групп: паразиты (находятся в почве большей частью в виде спор или покоящихся форм); факультативные паразиты подземных и надземных частей растений (могут активно размножаться в почве); сапрофиты; микоризообразователи; хищные грибы (уничтожают вредных нематод, амёб).

Прокариоты (Рrocaryotae) – синоним «бактерии» они не имеют ядра. Все прокариоты делят на четыре группы по признаку строения наружных покровов клетки: грацикулиты, фирмакулиты, молликулиты и линдозикуты. Они участвуют в разложении растительных остатков, в углеродном, азотном и других циклах питательных веществ.

Аллелопатические свойства почв. Важным свойством живой фазы почв является ингибирующее взаимовлияние растений, почвенных микроорганизмов и других живых организмов друг на друга. Это свойство называется аллелопатией и оказывает большое влияние на уровень плодородия почв.

Под аллелопатией понимают химическое ингибирующее взаимовлияние растений и почвенных микроорганизмов в результате выделения ими физиологически активных органических соединений, или появляющихся в почвах при гниении их остатков. Явление аллелопатии замечено как в естественных (лесных, луговых, степных и др.), так и в сельскохозяйственных биоценозах.

Для обозначения ингибиторов аллелопатической природы используют определённые термины. Антибиотики – ингибиторы биохимических процессов, продуцируемые микроорганизмами и действующие на микроорганизмы. Фитонциды – ингибиторы, продуцируемые высшими растениями и действующие на микроорганизмы. Маразмины – соединения, выделяемые микроорганизмами, ингибирующие биохимические процессы растений. Колины – химические ингибиторы, образуемые высшими растениями и действующие на высшие растения. Действие вышеперечисленных групп не всегда избирательны и могут ингибировать и другие группы организмов. Некоторые антибиотики и фитонциды токсичны по отношению к высшим растениям, а колины и маразмины подавляют рост микроорганизмов.

Все известные ингибиторы аллелопатической природы объединяют в группы: простые водорастворимые органические кислоты, спирты с неразветвлённой цепью, алифатические альдегиды и кетоны; простые ненасыщенные лактоны; жирные кислоты с длинной цепью; нафтохиноны, анртахиноны и сложные хиноны; терпеноиды и стероиды; простые фенолы, бензойная кислота и их производные, галловая и протокахетовая кислоты; коричная кислота и её производные; кумарины; флавоноиды; конденсированные таннины, гидролизуемые таннины; аминокислоты и полипептиды; алкалоиды и циангидрины; сульфиды и гликозиды горчичного масла; пурины и нуклеозиды. Некоторые вещества выделяют в отдельную группу: фенилуксусная и 4-фенилмасляная кислоты, фенилэтиловый спирт, триптофол, этилен, абсцизовая кислота, агропирен и др.

Ингибиторы аллелопатической природы не только выделяются растениями в среду, но содержатся также в стеблях, листьях, корнях и соцветиях, плодах и семенах. Попадая в почву, они входят в состав органического вещества, находятся в адсорбированном состоянии с твёрдой фазой почв, в почвенном растворе и почвенном воздухе.

Установлено, что алкалоиды и кумарины сильно подавляют прорастание семян, фенольные токсины – рост проростков, горчичные масла крестоцветных растений – прорастание семян и жизнедеятельность микроорганизмов, таннины – мощные ингибиторы нитрификации почвы.

Механизмы действия ингибиторов направлены на угнетение деления клеток, подавление роста, затруднение поглощения организмами макро- и микроэлементов, на угнетение фотосинтеза, подавление дыхания, степень раскрытия устиц, на подавление синтеза белка, изменение проницаемости мембран, на ингибирование специфических ферментов, повышение чувствительности растений к определённым болезням.

Аллелопатия оказывает большое влияние на смену биогеоценозов на определённых территориях земной поверхности (сукцессия – смена биогеоценозов) и на развитие и смену растительных ассоциаций, что определяет направленность почвообразовательных процессов.

Явление почвоутомления под сельскохозяйственными монокультурами это проявление аллелопатии. В лесном хозяйстве имеется много видов древесных растений, оказывающих аллелопатическое воздействие на другие виды древесных растений или на растения того же вида (грецкий орех, барбарис, конский каштан, роза, сирень, калина, пихта).

Ферментативная активность почв. Обмен веществ, или метаболизм, представляет собой совокупность процессов распада и синтеза, обеспечивающих поддержание рост и размножение организма. Обмен веществ, слагается из энергодающих процессов – катаболизма и энергозависимых процессов синтеза макромолекул – анаболизма.

Все процессы катаболизма и анаболизма протекают не произвольно, а катализируются особыми ферментами- катализаторами.

Ферменты являются продуктами биосинтеза всех живых почвенных организмов: древесных и травянистых растений, мхов, лишайников, водорослей, микроорганизмов, простейших, насекомых, беспозвоночных и позвоночных животных.

Клетки обладают способностью управлять скоростями отдельных реакций и тормозить или ускорять метаболический путь за счёт наличия регуляторных механизмов.

Процессы анаболизма регулируются в клетке механизмом, который носит название репрессии конечным продуктом. Сигнал к прекращению синтеза белковых молекул в большинстве случаев поступает от конечных продуктов процесса. Он проявляется в том, что в цепи одного из метаболических путей есть фермент, имеющий регуляторный центр, который может связываться с конечным продуктом данного пути биосинтеза и изменять активность фермента.

Процессы катаболизма регулируются при помощи механизма катаболитной репрессии. Если в среде для роста имеется два субстрата, то бактерии, в первую очередь используют тот из них, который обеспечивает быстрый рост, а второй потребляют только по исчерпании первого. В этом случае синтез ферментов для использования второго субстрата репрессируется первым катаболитом.

Ферменты делятся на конститутивные, то есть всегда присущие организму независимо от условий его роста и индуцибельные, которые синтезируются клеткой только в присутствии соответствующего субстрата - это одна из особенностей ферментных систем микроорганизмов.

Другая особенность – образование экзоцеллюлярных (внеклеточных) ферментов, которые расщепляют сложные молекулы субстрата (целлюлозу, белки, лигнин, хитин, липиды, пектин) во внешней среде. При этом клетка может синтезировать много фермента и поддерживать активность процесса превращения экзогенного субстрата. Результатом является переработка больших количеств разнообразных веществ микроорганизмами при малой их биомассе. Ферменты характеризуются специфичностью действия и специфичностью субстрата.

В настоящее время известно более 900 ферментов в живых организмах, которые объединены в шесть главных классов: оксиредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции; трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков; гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей; лиазы, катализирующие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп; изомеразы, катализирующие реакции изомеризации; лигазы, катализирующие химические реакции с образованием связей за счёт АТФ.

При отмирании и разложении живых организмов часть ферментов попадает в почву и катализирует многие почвенные химические реакции, участвуя в процессах почвообразования и в формировании главного свойства почв – плодородия.

Наиболее распространены в почвах ферменты из класса гидролаз (инвертазы, уреазы, фосфатазы, протеазы) и класса оксиредуктаз (каталазы, пероксидазы, полифенолоксидазы), которые имеют большое значение в превращении азот- и фосфорсодержащих органических веществ, веществ углеводного характера и в процессах образования гумуса. Активность этих ферментов – существенный показатель плодородия почв.

Инвертаза катализирует в почве реакции гидролитического расщепления сахарозы до фруктозы и глюкозы. Фруктоза является энергетическим продуктом для жизнедеятельности микроорганизмов. Активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв.

Уреаза катализирует в почве реакции гидролитического расщепления мочевины на аммиак и диоксид углерода. Активность её выше у плодородных почв, и повышается во всех почвах в периоды наибольшей их биологической активности (июль-август).

Фосфатаза (щелочная и кислая) катализирует гидролиз ряда фосфорорганических соединений с образованием ортофосфата. Активность её находится в обратной зависимости от обеспеченности почв подвижным фосфором, и является как бы дополнительным показателем потребности растений в фосфорных удобрениях. Наиболее высокая фосфатазная активность в ризосфере растений.

Протеазы – группа ферментов, катализирующая расщепление белков до полипептидов и аминокислот, которые далее гидролизуются до аммиака и воды. Они имеют важнейшее значение в жизни почвы, так как с ними связаны изменение состава органических компонентов и динамика усвояемых для растений форм азота.

Каталаза активизирует расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на воду и свободный кислород. Каталазная активность почв зависит от вида растительности. Почвы, на которых произрастают растения с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью. Вниз по профилю активность каталазы изменяется мало, а имеет обратную зависимость от влажности почв и прямую – от температуры.

Полифенолоксидаза и пероксидаза катализируют в почве процессы гумусообразования. Полифенолоксидаза ускоряет окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Пероксидаза активизирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. Она активизирует перекиси, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы. Далее может происходить конденсация хинонов с аминокислотами и пептидами с образованием первичной молекулы гуминовой кислоты, которая в дальнейшем усложняется за счёт повторных конденсаций (Кононова, 1963).

Отношение активности полифенолоксидазы (S) к активности пероксидазы (D), выраженное в процентах называют условным коэффициентом накопления гумуса (K).

S·100

K = —— %

D

Для дерново-подзолистой почвы его величина составляет за вегетационный период около 24%, для серой лесной оподзоленной – ~ 26%, для дерново-карбонатной – ~ 29%.

Биокаталитическая активность почв находится в прямой зависимости от степени обогащенности их микроорганизмами, зависит от типа почв и уменьшается по генетическим горизонтам, что связано с распределением гумуса в почвенном профиле, реакцией почвенного раствора, окислительно-восстановительными условиями и другими почвенными показателями.

В лесных почвах интенсивность ферментативных реакций определяют горизонты лесных подстилок, а в пахотных – пахотные слои. Биологически менее активные генетические горизонты находятся под А₀ и А_пах, имеющие низкую активность ферментов, которая при окультуривании увеличивается незначительно. После освоения лесных почв под пашню ферментативная активность пахотного горизонта резко снижается по сравнению с лесной подстилкой, но по мере окультуривания повышается и в хорошо окультуренных почвах приближается или превышает показатели лесной подстилки.

Биокаталитическая активность почв имеет сезонную изменчивость и соответствует динамике общего хода биологических процессов в ней. Наиболее высокая активность биокаталитических реакций в июле-августе, наименьшая весной и осенью.

Нитрификационная и азотфиксирующая способность. Одним из главных биофильных элементов живой клетки является азот. Его превращения в биосфере определяют работу главного звена биологического цикла – образование первичной растительной продукции. Круговорот азота в природе разбивается на несколько циклов, в которых главными агентами выступают микроорганизмы. Азот в этом цикле участвует в газообразной форме, в виде минеральных и органических соединений.

При фиксации азота микроорганизмами происходит его восстановление: разложение органических азотсодержащих соединений (аммонификация) приводит к освобождению азота в форме аммиака, который далее окисляется последовательно до нитратов и нитритов (нитрификация).

Окисленный азот вновь восстанавливается до N₂ в процессе денитрификации. Аммонийные и нитратные формы азота ассимилируются растениями и микроорганизмами, что приводит к временному закреплению азота в органических веществах, соединениях. Его иммобилизации в плазме микроорганизмов (микробной плазме).

Распад органических азотистых соединений происходит по схеме:

Белки, гуминовые вещества → аминокислоты → NО₂ (амиды) → NН₃ (аммиак) → NО₂ (нитриты) → NО₃ (нитраты).

В процессе нитрификации и денитрификации возможны газообразные потери азота в форме его закиси NO₂.

Распад азотистых органических веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Аммонификация осуществляется обширными группами аэробных и анаэробных микроорганизмов: бактерий, актиномицетов, плесневых грибов.

Аммонификации подвержены белки и их производные: пептиды и аминокислоты, мочевина и мочевая кислота, хитин, гумусовые кислоты.

Под воздействием протеолитических ферментов, выделяемых микроорганизмами, (протеаза – нуклеиновые кислоты, хитиназа – хитин) белковые вещества гидролизуются до аминокислот, которые легко усваиваются микроорганизмами и под действием ферментов микробных клеток (дезаминаз и дезамидаз) подвергаются процессам дезаминирования и дезамидирования. В результате от амино- и амидосоединений отщепляется аммиак и образуются различные органические кислоты, которые разлагаются дальше до простейших соединений – СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄. Выделивший аммиак образует соли с органическими и минеральными кислотами почвы (угольной, азотной, муравьиной, уксусной).

2NH₃ + H₂CO₃ = (NH₄)₂CO₃; NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃.

Аммоний поглощается почвенными коллоидами:

(ППК) Са²⁺ + (NН₄)₂CO₃ = (ППК) 2NH₄⁺ + CaCO₃

Аммонификация происходит во всех почвах при разных реакциях среды, в присутствии воздуха и без него, но скорость этого процесса различна.

В анаэробных условиях азотистые органические соединения разлагаются до NH₃. В аэробных – соли аммония окисляются до нитратов.

Процесс окисления аммиака до нитратов носит название нитрификации. Сущность этого процесса была выяснена С.Н. Виноградским. Он же выделил чистые культуры микроорганизмов, участвующих в этом процессе, и назвал их нитрификаторами.

Процесс нитрификации протекает в две фазы:

В первой фазе участвуют нитрозные бактерии рода Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosowibrio.

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂+2H₂O (первая фаза).

Во второй фазе участвуют нитратные бактерии – Nitrobakter, Nirtospina, Nitrococcus.

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃.

В основе нитрификации лежит дегидрирование аммиака, осуществляемое дегидразой, и соединение азота с кислородом при посредстве соответствующих оксидаз.

Процесс нитрификации является многоэтапным процессом.

(+Н₂О) (-2Н) (-2Н)

NH₃ (аммоний) → NH₄OH → NH₂OH (гидроксиламин) → HNO₃ →

(+Н₂О) (-2Н)

→ NH(OH)₂ → HNO₂ → HNO₃.

Образовавшаяся в почве азотная кислота нейтрализуется бикарбонатом кальция или магния, или поглощёнными основаниями почвы.

2HNO₃ + Ca(HCO₃)₂ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂CO₃;

2HNO₃ + (ППК)Са²⁺ = (ППК)2Н⁺ + Са(NО₃)₂.

Процесс восстановления нитратного азота до газообразных форм (NO, N₂O, N₂) называется денитрификацией. При денитрификации происходят потери азота из почвы, что крайне нежелательно. Осуществляется денитрификация обширной группой бактерий – денитрификаторов (Bacteria denitrificans, Bacteria Stutzeria, .Bacteria fluorenscens, Bacteria pyocyaneum).

Этот процесс особенно интенсивно развивается при отсутствии в почве воздуха, щелочной реакции и избытка органического вещества, богатого клетчаткой, глюкозой и другими углеводами.

Денитрифицирующие бактерии быстро окисляют углеводы до СО₂, используя для этого кислород нитратов. Процесс восстановления нитратов носит эндотермический характер, то есть реакция протекает с затратой энергии. Восстановление нитратов до нитритов происходит при участии фермента нитратредуктазы, восстановление нитритов – с помощью нитритредуктазы.

Реакция восстановления НNO₃ до NO₂ и N₂ идёт по таким уравнениям.

С₆Н₁₂О₆ + 6НNО₃ → 6СО₂ + 9Н₂О + 3N₂О (+ 2289 кДж);

5 С₆Н₁₂О₆ + 24НNО₃ → 30СО₂ + 42Н₂О + 12N₂ (+ 2394 кДж на моль глюкозы).

В настоящее время установлено, что восстановление нитратов денитрифицирующими бактериями идёт через ряд промежуточных этапов:

HNO₃ (нитрат) → HNO₂ (нитрит) → (HNO)₂ (гипонитрит) → N₂O (закись азота) → N₂ (молекулярный азот).

Азот используется растениями из разных источников: из почвенных растворов, из гумуса после его разложения микроорганизмами, от бактерий, связывающих молекулярный азот, который в форме аминокислот поступает в клетку. Азот, включающийся в биомассу растений, в результате его фиксации бактериями называется биологическим, а сами бактерии – азотофиксаторами, или диазотрофами.

Доля биологического азота в урожае колеблется от 60 до 90%.

Биологический процесс восстановления азота представляет собой цепь ферментативных реакций, в которых главную роль играет фермент нитрогеназа.

Азотфиксирующие бактерии по их связи с растениями делятся на симбиотические и несимбиотические. Несимбиотические бактерии, которые не связаны непосредственно с корневыми системами растений, образуют группу свободноживущих бактерий. Свободноживущие азотфиксаторы распространены повсеместно и встречаются среди хемотрофов, фототрофов, аэробов, анаэробов.

Бактерии, обитающие в сфере прямого влияния растений, в прилегающей к корням и почве (ризосфере) или на поверхности корней и листьев называются ассоциативные.

Ассоциативная азотфиксация осуществляется микроорганизмами, живущими в ассоциации с первичными продуктами органического вещества – растениями, водорослями или цианобактериями. Этот процесс сопряжён с фотосинтезом и протекает не только в корневой зоне, но в филлосфере. Этот тип фиксации азота распространён у не бобовых растений.

Мобилизация азота в системе «почва-микроорганизмы-растение» происходит по двум каналам: связывание из атмосферы и извлечение из гумусовых веществ.

Симбиотическая азотфиксация – микробные азотфиксирующие симбионты, проникая в ткани растений, образуют опухолевидные разрастания в форме клубеньков на корнях или узелков на листьях и стеблях.

Наиболее активные и достаточно хорошо изучены диазотрофные симбионты – клубеньковые бактерии бобовых растений. Благодаря азотфиксирующим симбионтам бобовые обогащают почву азотом в количестве от 60 до 300 кг/га в год.

В почве протекают все процессы: одновременно с минерализацией органического азотсодержащего вещества, нитрификацией и денитрификацией происходят вторичные процессы синтеза, когда минеральные соединения азота вновь переходят в органические, неусвояемые для растений формы. Иммобилизация азота носит биологический характер, когда микроорганизмы строят белок своих тел, используя углеводы и азот. Процессы мобилизации и иммобилизации азота протекают одновременно и определяют азотный режим и условия азотного питания растений.

Интенсивность разложения целлюлозы. Целлюлоза – наиболее распространённое углеродное соединение в природе, которое создают высшие растения (40-70% клетчатки) и немногие грибы (оомицеты) и уксуснокислые бактерии (Acebaktor хylinum).

Синтез целлюлозы сопряжён с её разложением микроорганизмами – это естественный деструктивный процесс. Именно в этом звене круговорота углерода почвенные микроорганизмы выступают как геохимические агенты, обеспечивающие возврат углерода в атмосферу в виде СО₂, необходимый для фотосинтеза. С этим процессом связано образование в почве гумусовых веществ и формирование почвенной структуры.

Важно подчеркнуть, что ни животные, ни растения не способны разлагать целлюлозу, только микроорганизмы. Даже жвачные животные, питающиеся растительным кормом, не могут её усваивать без помощи микроорганизмов, живущих в рубце.

В природе разложение целлюлозы происходит при участии сообществ микроорганизмов, имеющих целлюлолитические ферменты, и микроорганизмов-спутников, использующих продукты распада.

Анаэробный распад клетчатки происходит под влиянием возбудителя – (Clostridium omelianski). При анаэробном разложении образуется много органических кислот (уксусная, янтарная, молочная, масляная, муравьиная), этиловый спирт, СО₂ и Н₂. Этот процесс сопровождается активным развитием сопутствующих микроорганизмов, часто азотфиксаторов.

Сбраживание клетчатки в природе происходит в условиях повышенных температур, например при разогревании торфа, навоза, соломы. В этом случае возбудители процесса – термофильные бактерии (Clostridium thermocellum или Eubakterium cellulosolvens). Продукты распада – целлобиоза, глюкоза и этанол. В анаэробных условиях разложение целлюлозы осуществляется только бактериями.

В аэробных условиях в процессах разложения участвуют разные систематические группы: истиные бактерии, миксобактерии, актиномицеты, грибы.

В кислых лесных почвах, где клетчатка в значительных количествах входит в состав мёртвой древесины, она более доступна грибному разложению. Участвуют грибы сапрофиты (Trichоderma viride, Chaltomium globosum, Myrothecium verrucaria), а также некоторые виды родов Dicoceum. Stachybotrys, Penizillium Aspergillus. Характерная особенность грибного разложения – выделение целлюлозных ферментов в среду. У бактерий целлюлазы – контактные ферменты, связанные клеточной поверхностью и выделение из них ферментов представляет определённые трудности.

В почвах под травянистой растительностью в степных и луговых ландшафтах в разложении целлюлозы участвуют миксобактерии, цитофаги и актиномицеты.

«Дыхание почв» (интенсивность выделения СО₂ из почвы) - высокоинформативный показатель биологической активности почв, и характеризуется скоростью выделения СО₂ за единицу времени с единицы площади. Интенсивность дыхания колеблется от 0,01 до 1,5 г/м³ч и зависит от почвенных и погодных условий, физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова.

Почвенное «дыхание» - это регулирование химического состава атмосферы и гидросферы. В почвенном воздухе содержится такие компоненты как N₂О, NО₂, СО, предельные и непредельные углеводороды.

Почвенное «дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени.

Биологическая активность экосистемы определяется численностью, составом и активностью почвенных микроорганизмов и почвенной фауны, активностью ферментов, которые непосредственно участвуют в трансформации недоступных растениям элементов питания почвы и растительных остатков в доступные им соединения. С биологической активностью почвы связано образование в ней микробных продуктов, стимулирующих рост растений или оказывающих ингибирующее действие. Образование гумуса, фиксация атмосферного азота и образование углекислоты, участвующей в процессе фотосинтеза – связано с дыханием почвы.

В ходе фотосинтетической деятельности происходит не только связывание растениями углекислоты, но и обогащение атмосферы кислородом.

При минерализации органических веществ в атмосферу возвращаются, помимо СО₂, СН₄, Н₂, СО, N₂О, N₂. Газы, образующиеся в анаэробной зоне, частично перехватываются аэробами, которые составляют «бактериальный фильтр» и частично попадают в атмосферу, оттуда вновь вовлекаются в круговорот.

Роль почвенных организмов проявляется не только в деструкции органической массы растений и животных, но и в контроле газового состава атмосферы и преобразовании литосферы, граничащей с почвой.

Одним из важнейших факторов деятельности микроорганизмов в почве, который оказывает существенное влияние на ход и интенсивность всех процессов, является формирование природных группировок, в которых все члены работают согласованно и взаимозависимо. Эта согласованность деятельности микроорганизмов способствует утилизации большого множества соединений – природных и создаваемых человеком.

Фитосанитарное состояние почвы – способность почвенных организмов перерабатывать, ежегодно попадающие в почву и на её поверхность, отходы жизнедеятельности организмов, растительный опад, посмертные останки животных, а также те антропогенные загрязнения, которые частично или полностью обезвреживаются почвой.

В проявлении санитарной функции выделяется три аспекта:

1. Поступающие на поверхность почвы органические остатки деструктируются (разрушаются – подвергаются деструкуции).

Если бы образующийся из года в год растительный опад только накапливался и не подвергался минерализации, то поверхность Земли оказалась бы забитой за короткое время отходами жизнедеятельности организмов и жизнь на планете, в конце концов, стала бы невозможной.

Почвенные организмы подвергают разрушению и минерализации органические остатки и тем самым не только переводят в доступную для усвоения форму, содержащие в опаде вещества и энергию, но и предохраняют ландшафты от самозагрязнения, отравления, и конечном счёте, от гибели.

Важная роль в процессе деструкции принадлежит почвенным беспозвоночным. Эти животные не только участвуют в разложении опада, но и вовлекают его в саму почву. При этом растительные остатки активно изменяются. При отсутствии почвенных животных происходит ускоренное накопление мёртвого опада, создаются анаэробные условия и может образовываться торф. Если санитарная функция беспозвоночных животных ослаблена, в экосистеме создаются неблагоприятные изменения, нарушается фитосанитарное состояние почвы.

В Австралии из-за недостатка жуков-навозников на пастбищах, на поверхности почвы стал скапливаться навоз, что значительно снижало урожайность пастбищ. Завоз этих жуков позволил исправить нарушившуюся экологическую ситуацию.

Очистка почв осуществляется сложным комплексом, в котором важны и микроорганизмы и животные. Тесная взаимосвязь микроорганизмов и беспозвоночных в деструкции растительных остатков ускоряет этот процесс в 2-5 раз.

2. Антисептические свойства почвы позволяют лимитировать развитие в ней болезнетворных микробов. В почве имеются антагонисты–микробы, и в ней постоянно идёт борьба за существование: один вид уничтожает другой. Соответствующей обработкой почвы можно создать условия, ведущие к обильному развитию антагонистов, что приведёт к подавлению вредной микрофлоры.

Посев трав на загрязнённую почву быстро освобождает её от кишечной группы бактерий. Посев люцерны – от фитопатогенного гриба – возбудителя вилта хлопчатника. Посев чеснока, ржи, пшеницы подавляет рост сибиреязвенной палочки. Особенно развиты антисептические свойства у актиномицетов по отношению к бактериям.

3. Самоочищение почв от техногенных загрязнителей (пестициды, тяжёлые металлы, радионуклиды, нефтяные углеводороды, минеральные удобрения, белково-витаминные препараты).

В природной среде в почве существенную роль в разложении пестицидов микроорганизмами играют такие явления, как кометаболизм и синтрофия.

При кометаболизме скорость минерализации пестицида повышается при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата. При синтрофии на пестицид действует смешанная популяция микроорганизмов и разложение его идёт более активно, чем в условиях чистых культур.

В процессе самоочищения почвы от пестицидов участвуют многие группы почвенных животных. Ногохвостики, клещи и другие обитатели почв инактивируют пестициды, изменяя их состав. Крупные беспозвоночные, перемешивая почву, способствуют перемещению загрязнённой почвы из верхнего горизонта в нижние.

Тяжёлые металлы – ртутьсодержащие соединения – микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества.

Избыток серы, в виде серных соединений, подкисляет почву, что приводит к изменению состава микроорганизмов и биологической активности почв.

Кадмий, свинец, цинк – поступают в почву за счёт промышленных отходов, вблизи автотрасс. Степень загрязнённости почв тяжёлыми металлами зависит от физико-химических свойств почвы, и в частности от кислотности. В нейтральных и щелочных почвах подвижность металлов меньше, они мигрируют слабее, чем в кислых. Скорость самоочищения почв от поступающих элементов весьма низкая.

Металлы связываются с органическими продуктами микробной деятельности и мигрируют в органо-минеральной форме. На миграцию и аккумуляцию элементов оказывают влияние и почвообитающие животные.

Термиты в некоторых пустынных районах Средней Азии накапливают в своих телах около двух десятков химических элементов – Аg, Sr, Cr, Ni, Cu, Ti. Такая особенность может быть использована в целях биоиндикации.

Лихеноиндикация разрабатывает методы определения загрязнённости среды по химическому составу лишайников, по коэффициенту биологического поглощения. Это даёт возможность оценить относительную способность разных видов лишайников одного местообитания концентрировать элементы и выявить виды-индикаторы.

Биоиндикаторами на загрязнение почв тяжёлыми металлами могут быть и разные группы почвенных микроорганизмов, а также отдельные виды и биохимические процессы. Хорошим показателем повышенного содержания тяжёлых металлов служит уровень азотфиксирующей активности, определяемый ацетиленовым методом.

Почвенные микроорганизмы способны аккумулировать радиоактивные элементы, что определяется методами радиоавтографии. На этом принципе возможна разработка методов использования микробных популяций для выявления геохимических провинций с высоким содержанием радиоактивных элементов.

Загрязнение почв нефтью и продуктами её переработки приводит к заметному сдвигу в составе биоты. Почва обогащается микроорганизмами, способными разлагать углеводороды.

Количественное определение содержания в почвах углеводородокисляющих микроорганизмов было положено в основу метода биологической индикации на газовые и нефтяные месторождения. Газообразные углеводороды, пропан и метан, поступают в почву из газоносных слоёв и частично через «микробный барьер» прорываются в атмосферу. В верхних слоях почвы они окисляются микроорганизмами.

Было показано, что численность пропанокисляющих микроорганизмов падает с глубиной более резко, чем метанокисляющих.

Метанокисляющие бактерии встречаются везде, где идёт энергичный распад органических веществ в анаэробных условиях, с образованием газообразных углеводородов биологическим путём. Микроорганизмы использующие высшие гомологи метана, обычные обитатели нефтеносных почв и служат индикаторами на нефтяные месторождения или на загрязнение почв нефтяными продуктами антропогенного происхождения.

Газоиспользующие микроорганизмы – это в основном бактерии родов Pseudomonas, Methilococcus, Methilobakter. Methilosinus и некоторые грибы – Paecilomyces, Fusarium, Scolecobasidium. Скорость самоочищения почвы от нефти различна в разных природных зонах. В условиях недостаточного увлажнения минерализация нефти и нефтепродуктов идёт медленно.

В условиях переувлажнения уменьшение нефти идёт более активно, но возникает опасность загрязнения грунтовых вод. После загрязнения в почве возрастает численность и активность нефтеокисляющих микроорганизмов.

Минеральные удобрения в высоких дозах в определённых условиях вызывают отрицательный эффект, особенно азотные. Под влиянием высоких доз минерального азота происходит разрушение гумуса, снижение суммы поглощённых оснований, повышается подвижность тяжёлых металлов за счёт подкисления почвенного раствора азотной кислотой, ухудшается качество продукции, за счёт накопления нитратов, в результате денитрификации образуются закись азота, что ведёт к постепенному разрушению озонового слоя, загрязняется гидросфера и тропосфера.

Биологическое загрязнение почв чужеродными микроорганизмами происходит в результате попадания в почву бытовых отходов и отбросов, а также за счёт аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы, патогенные и токсикогенные, способные вызывать кишечные инфекции и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений (кишечная палочка, патогенные клостридии и бациллы – возбудители столбняка, сибирской язвы, газовой гангрены).

Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроорганизмов. Это связано, в первую очередь, с отсутствием условий развития в почвенной среде, а также неблагоприятного действия физических и химических факторов (кислотность, низкие температуры, солнечная радиация).

Второе – элиминация микроорганизмов – взаимодействие с членами почвенной биоты (выедание, лизис).

Очистка почв химическими дезинфектами – формалин, тиазол или пестициды.

Методы исследования биоценозов и биологической активности почв.

- метод стекол обрастания - стерильные предметные стёкла закладывают в почвенном разрезе, плотно прижимая к почве. Разрез закапывают. Экспозиция – один месяц. Стекло очищают, высушивают, фиксируют в пламени, окрашивают, микроскопируют и изучают;

- метод капиллярных педоскопов – капиллярный прибор вставляют в почву на месяц, а затем очищается, фиксируется и изучается микросреда;

- метод люминисцентно–микроскопического наблюдения микроорганизмов в почвенных монолитах по Звягинцеву – люминисцентный микроскоп;

- метод электронно-микроскопических исследований почвенных микроорганизмов – электронные микроскопы;

- методы исследования адсорбции почвенных микроорганизмов – почва + культура и культура микроорганизма.

- методы изучения микробных сукцессий в почве (смена микроорганизмов).

Методы исследования биологическая активность:

- метод определения дыхания почвы;

- ацетиленовый метод определения потенциальной активности азотфиксации;

- определение потенциальной активности денитрификации;

- методы определения активности ферментов;

- методы определения биомассы микроорганизмов в почве и др.

Вопросы 63-66

Лекция 19. 1. Болотный почвообразовательный процесс

2. Причины и типы заболачивания

3. Сущность болотного процесса

4. Строение и свойства верховых, переходных

и низинных болотных почв и особенности их использования 5. Гидроморфные и полугидроморфные почвы

Болота занимают огромные пространства на Земле и встречаются во всех почвенно-биоклиматических природных зонах. Общая площадь болот составляет около350 млн. га, из них 175 млн. га имеют залежи торфа мощностью более 0,5 м. Болотные почвы относятся к интразональным

Основные площади болотных почв расположены в таёжно-лесной и тундровой зонах и составляют 6,7% территории России, или 150 млн. га; 60 млн. га болот находится в европейской части, 90 млн. га - в Западной Сибири. В более южных зонах они распространены значительно меньше и приурочены в основном к поймам рек и отличаются зональными особенностями. Кроме болотных почв, имеется много почв разной степени заболачивания.

Условия образования и развития болотных почв и болот различны, но всегда связаны с избыточным увлажнением, возникающим под воздействием поверхностных или близко залегающих грунтовых вод, зарастании озёр и водоёмов. Их распространение тесно связано с характером геоморфологии и общей дренированности территории. Значительная площадь болот приурочена к районам четвертичных ледниковых и флювиогляциальных песчаных отложений, подстилаемых на разной глубине глинами или суглинками, а также к плохо дренированным равнинам с большим количеством бессточных западин.

Торфяные болота занимают 1…3% территории на моренно-холмистом рельефе, 3…10% на моренных равнинах, 30…40% на древнеаллювиальных равнинах. Современное болотообразование охватывает всю эпоху голоцена и продолжается в настоящее время в результате заболачивания водоёмов и суши.

Болотами называются избыточно увлажнённые участки суши, покрытые слоем торфа мощностью не менее 30 см.

Причиной заболачивания служит застой воды на поверхности в западинах, котловинах и других отрицательных элементах рельефа при развитии мерзлоты, слабой водопроницаемости почв и пород (наличие плотного водоупорного горизонта в толще почвы или почвообразующей породе), при наличии влагоёмкого органического покрова на поверхности (мощной подстилки или мохово-лишайникового ковра). Образуются верховые олиготрофные, реже мезотрофные болота.

Заболачивание водоёмов происходит двумя путями: в результате их зарастания, и в результате нарастания (развития сплавины) с образованием торфа разного состава соответственно стадии заболачивания.

Зарастание свойственно озёрным и старичным мелководьям, а также мелководьям искусственных водохранилищ. При этом образуются низинные эутрофные и мезотрофные болота.

Нарастание сплавины имеет место на озёрах с обрывистыми берегами, где образуются, как правило, верховые олиготрофные болота.

Болотные почвы формируются под воздействием двух процессов – торфообразования в верхней части профиля и оглеения в нижней. Их объединяют под общим термином «болотный процесс».

Сущность болотного процесса заключается в том, что под влиянием переувлажнения в минеральной части почвы возникают процессы оглеения, вызывающие образование плотного, часто водонепроницаемого глеевого горизонта, что способствует дальнейшему накоплению влаги на поверхности почвы. Органическое вещество при создавшихся условиях разлагается очень медленно и, постепенно накапливаясь, образует торфянистый слой мощностью до 20-30 см. В толще влажного, плохо разложившегося слоя микробиологические процессы подавляются (особенно при кислой реакции среды), поэтому элементов питания в доступных формах становится мало. На поверхности оторфованной органической массы поселяются только сфагновые мхи.

Торфообразование – накопление на поверхности почвы полуразложившихся растительных остатков в результате замедленной их гумификации и минерализации в условиях избыточного увлажнения.

В начальной стадии заболачивания появляются влаголюбивые автотрофные травянистые растения, которые в последующие стадии сменяются зелёными мхами, кукушкиным льном и, наконец, белым мхом – сфагнумом.

В анаэробных условиях интенсивность окислительных процессов сильно ослабляется, и органические вещества до конца не минерализуются. При разложении образуются промежуточные продукты в виде низкомолекулярных кислот (масляная, уксусная, молочная и так далее), которые подавляют жизнедеятельность микрофлоры, играющей основную роль в процессах превращения органического вещества в почвах. В этих условиях на поверхности почвы накапливаются полуразложившиеся органические вещества в виде торфа мощностью до 10 м и более.

По составу торф может быть древесным, древесно-осоковым, древесно-моховым, осоковым, зелёномоховым, сфагновым. В зависимости от состава растений – торфообразователей меняется его биохимический состав. Торф – органическая горная порода, содержащая не более 50% минеральных веществ, образовавшаяся в результате отмирания и неполного распада растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода.

К торфяной почве относят верхний биологически активный слой (35-70 см) торфяника, в котором анаэробные процессы периодически сменяются аэробными и происходит частичное разложение растительных остатков.

Нижняя граница почвы совпадает с максимальным опусканием грунтовых вод во время летней подсушки торфяников, и нижней границей корнеобитаемого слоя.

Более глубокие слои торфа относят к торфоорганогенной породе, здесь при постоянном избытке влаги господствуют анаэробные процессы и осуществляется консервация торфа.

В естественном состоянии торфяная толща содержит до 95% воды, поэтому в ней господствуют восстановительные условия. Возникающая временно пористость аэрации в 5-10 см слое способствует активизации биохимических процессов превращения органического вещества торфа.

Любой торф состоит из негумифицированных растительных остатков, перегноя и минеральных включений.

В превращении органического вещества в болотных почвах участвуют представители многочисленных групп почвенных микроорганизмов.

Вначале на отмершей растительности активно развиваются неспороносные бактерии и грибы. По мере разрушения органических веществ развиваются спорообразующие бактерии, сменяемые целлюлозоразлагающими и другими микроорганизмами.

Торфообразование – биохимический процесс, в котором участвуют многочисленные микроорганизмы, выполняющие сложные функции по разложению и синтезу органического вещества, приводящие, в конечном счёте, к образованию торфа болотных почв.

Анаэробиозис резко затормаживает разложение органического вещества, а, следовательно, и вовлечение зольных элементов и азота в новые циклы биологического круговорота, поэтому возникает относительный недостаток элементов зольной пищи и азота для растений.

Изменение условий аэрации и пищевого режима приводит к эволюции болотной растительности.

При болотном процессе в понижения с почвенно-грунтовыми водами поступает значительное количество элементов питания, что обеспечивает произрастание требовательных к питательному режиму травянистых растений торфообразователей: плотнокустовые злаки, осоки, пушицы, вейники, камыши и другие.

На водоразделах в таёжно-лесной зоне заболачивание подзолистых почв начинается с поселения зелёных мхов и быстро вступает в фазу сфагнового болота.

Наиболее распространёнными растениями - торфообразователями являются: осоки, пушицы, камыш, тростник, вейник, шейцхерия, рогоз, канареечник, хвощёвые, полукустарники: багульник, клюква, вереск, ива, берёза, ольха чёрная и серая, сосна обыкновеная, ель, лиственница. Мхи гипновые зелёные, кукушкин лён, белые сфагновые.

Оглеение – представляет собой сложный биохимический восстановительный процесс, протекающий при переувлажнении почв в анаэробных условиях при непременном наличии органического вещества и участия анаэробных микроорганизмов. Большая роль в процессах оглеения принадлежит маслянокислым бактериям.

При глееобразовании разрушаются первичные и вторичные минералы. Особенно существенным превращениям подвергаются соединения элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, N). Алюмоферрисиликаты разрушаются под влиянием накапливающихся активных органических соединений с кислотными свойствами.

Из коллоидных и (истинных) ионных растворов, содержащих железо, кремнекислоту, гидроокиси алюминия и другие соединения возможен реосинтез вторичных минералов. При оглеении он наиболее проявляется в условиях ослабленного выноса продуктов глеевого процесса и почти не отмечается при хорошо выраженных нисходящих токах воды при кислой реакции почвенных растворов.

Характерной особенностью глеевого процесса является восстановление окисного железа в закисное, которая проявляется при ферментативной деятельности микроорганизмов и воздействия продуктов жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов (водород, сероводород, низкомолекулярные органические и гуминовые кислоты).

При периодически повторяющемся переувлажнении соединения железа могут находиться то в окисной, то в закисной форме в зависимости от продолжительности периода переувлажнения и периода аэрации. При восстановлении железа образуется двууглекислое железо Fe(HCO₃)₂, которое в природных условиях довольно хорошо растворимо в воде и при смене восстановительных условий на окислительные легко окисляется до гидроокиси железа. 4Fe(HCO₃)₂ +О₂ +Н₂О = 4Fe(OH)₃ + 8СО₂

При длительном и постоянном избыточном увлажнении в условиях устойчивого развития глеевого процесса ионы закисного железа вступают в реакцию с кремнезёмом и глинозёмом и образуют вторичные алюмоферрисиликаты, в состав которых входит закисное железо. Такие минералы имеют сизоватую, грязно-зеленоватую или голубоватую окраску. Почвенные горизонты, в которых накапливаются эти минералы, называются глеевыми.

При непродолжительном избыточном увлажнении сплошной глеевый горизонт может и не образоваться, а вместо него в почвенном профиле появляются отдельные сизоватые или зеленовато-голубоватые пятна. Такие горизонты называются глееватыми.

Приобретение глеевыми горизонтами специфической окраски связано с потерей окисного железа с поверхности почвенных минералов, собственная окраска которых придаёт характерный цвет глею. В процессе оглеения образуются менее устойчивые к окислению минералы, такие как сидерит FeCO₃ и вивианит Fe₃(РО₄)₂·8Н₂О. Почва при оглеении обогащается кремнекислотой и обедняется железом и в меньшей степени алюминием. При оглеении марганец восстанавливается до подвижных соединений, сера до сероводорода и сульфида железа.

Значительным превращениям подвергаются соединения азота и фосфора. Превращение азота связано с развитием процесса денитрификации, который приводит к быстрому разрушению нитратных форм азота. При длительном и устойчивом развитии восстановительных процессов может вызвать значительную потерю азота из почвы. Изменение фосфатного режима обусловлено образованием в оглеенных горизонтах фосфатов закиси железа типа вивианита, а при смене восстановительных процессов окислительными - накоплением труднорастворимых фосфатов окиси железа. В переувлажнённой обстановке, в первую очередь, восстанавливаются нитраты и сульфаты и уже затем окисные соединения железа и марганца.

При оглеении образуются активные органические соединения с кислыми свойствами и подвижные компоненты разрушения и восстановления минеральной части почвы, поэтому в ней создаются благоприятные условия для возникновения различных органо-минеральных соединений, которые обеспечивают миграцию железа, алюминия, марганца из оглеенных горизонтов.

Особенно сильно процессы миграции развиты в почвах поверхностного временно избыточного увлажнения под влиянием сезонного оглеения при сочетании с нисходящим током воды. Такой процесс называется элювиально-глеевый, и он играет большую роль в формированиии элювиальных горизонтов в различных типах почв – таких как глееподзолистых, солодях, «подбелах».

Элювиально-глеевый процесс, развиваясь в условиях контрастного водного режима, характеризуется следующими основными чертами:

- контрастным проявлением окислительно-восстановительных процессов в верхних горизонтах профиля – резким снижением окислительно-восстановительного потенциала в период временного избыточного переувлажнения с последующим повышением потенциала при просыхании и аэрации почвы;

- превращением органических веществ с образованием большого количества подвижных и агрессивных их форм – фульвокислот, низкомолекулярных кислот, полифенолов;

- образованием подвижных восстановительных форм железа и марганца, а при кислой реакции – и подвижных соединений алюминия;

- активным взаимодействием агрессивных органических кислот с компонентами минеральной части почвы с образованием водорастворимых комплексных органо-минеральных соединений и их миграцией с нисходящим или боковым током воды.

Указанные особенности элювиально-глеевого процесса определяют его широкое участие в образовании осветлённых элювиальных горизонтов в почвах с явлениями временного поверхностного избыточного увлажнения.

Развитие оглеения существенно ухудшают агрономические свойства почв, и для их улучшения требуется коренное изменение водно-воздушного режима осушительными мелиорациями. Для почв временного поверхностного переувлажнения (минеральные полугидроморфные почвы) – применение комплекса агротехнических мероприятий.

Образование и развитие болот. В соответствии с трудами В.С. Доктуровского, Г.И. Танфильева, В.Р. Вильямса, В.Н. Сукачёва различают два типа заболачивания или болотообразования: заболачивание суши и заторфовывание водоёмов.

Болота образуются при зарастании водоёмов (замкнутых стоячих озёр, речных заводей, мелководий и лиманов). При отмирании планктона (водоросли, моллюски и др.) его масса смешивается на дне с минеральным илом, образуя сапропель (гниющий ил), который содержит до 15% органического вещества. Со временем сапропель переходит в более плотную органо-минеральную массу – сапропелит. По мере заполнения водоёма сапропелем на нём, начиная от берегов, поселяются земноводные растения – камыш, тростник, рогоз, хвощ и другие. При их отмирании растительные остатки постепенно заполняют мелководье.

В образовании торфяной массы участвуют плавающие растения – трифоль, сабельник, телорез и др. Эти растения могут образовывать довольно мощный плотный ковёр – сплавину, состоящую из живых и отмерших растений. Нижние части сплавины постепенно отрываются и опускаются на дно, а верху нарастают новые слои. Так постепенно происходит зарастание водоёма сверху и снизу. На вышедшей на поверхность торфяной толще поселяется различная болотная растительность и в дальнейшем здесь могут наблюдаться стадии низинного, верхового и переходного болота.

Заболачивание намывными склоновыми или русловыми водами приводит к возникновению низинных или переходных болот на подножиях склонов и в речных долинах.

По типу водного питания В.Н. Сукачёв выделил две группы болот: атмосферного (верховые) питания и грунтового (низинные и переходные).

Низинные (эутрофные) болота питаются грунтовыми водами, которые в большинстве своём обогащены питательными элементами, необходимыми для растений. Мощность слоя торфа не превышает 50 см, зольность 7-8%.

По видовому составу растений их делят на травянистые, травяно-гипновые, гипновые, кустарниковые и лесные (черноольховые). Все обитатели низинных болот типичные гигрофиты, в их листьях и стеблях развивается воздухоносная ткань – аэренхима, обеспечивающая газообмен растений в условиях переувлажнения.

Из травянистых растений произрастают осоковые, тростник, вейник, таволга, шейцхерия, папоротники и другие; из древесных растений – чёрная ольха, берёза пушистая, реже ель, сосна, осина, ясень. В Сибири – кедр, крушина, берёза приземистая. Из кустарниковых – разнообразные виды ивы, черёмуха, рябина; из мхов – зелёные гипновые мхи и некоторые сфагновые.

Переходные (мезотрофные) болота – промежуточные между низинными и верховыми.

Зольность торфа 4-7%, имеют смешанный атмосферно-грунтовый тип заболачивания. Из деревьев кроме сосны присутствует берёза.

В Сибири – кедр, лиственница сибирская и даурская. Кустарники представлены ивами.

Травы те же, что и на низинном болоте, но в меньшем обилии – осоки, белокрыльник, ирис-касатик, камнеломка. Растут виды типичные для верховых болот. Моховой покров образован гипновыми и сфагновыми мхами.

Верховые (олиготрофные) болота – возникают на водораздельных пространствах и в верхних террасах речных долин в результате атмосферного переувлажнения или нарастания сплавины на озёрах. Их характеризует бедность элементами минерального питания растений, кислая реакция среды, преимущественно развитие сфагновых мхов. Зольность их от 0,5 д 4%. Мощность торфа в неосушенном состоянии от 0,5 до 12 метров.

Процесс развития верховых болот начинается в тот момент, когда вследствие накопления торфа поверхность болота постепенно поднимается над уровнем его ложа и становится выпуклой. Связь растений с минеральным грунтом постепенно утрачивается, минеральное питание обедняется, начинается смена растительного покрова болота: Эутрофные виды сменяются комплексом олиготрофных растений.

Таким образом, верховые болота проходят стадии низинного и переходного болота, а при отрыве корней растений от минерального грунта наступает стадия верхового болота. В результате образования выпуклой формы сток на верховом болоте направлен от центра к периферии, что способствует формированию грядово-мочажинного ландшафта с различными ассоциациями в разных его частях, что приводит к комплексности растительного покрова.

В верховых сфагновых болотах обитает около 43 экологических видов сфагнума, а также кукушкин лён, лишайники. Из кустарников: подбел, вереск, мирей болотный, водянка, багульник, голубика, клюква.

Из трав - морошка, шейхцерия, пушица, осока, росянка; из деревьев – сосна, в Сибири - кедр и лиственница даурская.

Основные массивы болотных почв образуются в результате заболачивания суши. Оно проявляется по – разному в зависимости от происхождения и химического состава, вызывающей его воды.

Заболачивание суши происходит несколькими путями, но всегда при застойном гидроморфном режиме, который может создаваться атмосферными, намывными склоновыми, намывными русловыми, грунтовыми и грунтово-напорными водами.

Заболачивание почв может развиваться под влиянием дернового процесса почвообразования, протекающего под луговыми травами. При достаточном или избыточном переувлажнении образуется плотная мощная дернина, в толще которой накапливается мёртвое органическое вещество, резко ухудшающее аэрацию дернины.

На смену рыхлокустовым злакам приходят плотнокустовые злаки, имеющие узел кущения над поверхностью почвы, что приводит к образованию кочек и изменению рельефа участка. Образующийся кочковатый микрорельеф мешает стоку воды. Вода застаивается, нарушая нормальное разложение органических веществ и способствуя их дальнейшему накоплению.

В верхней минеральной части почвы начинаются процессы оглеения, приводящие к образованию плотного глеевого горизонта, что вызывает дальнейший застой воды. В этих условиях формируются дерново-глеевые почвы. Постепенно дерново-глеевые почвы превращаются в болотную торфяную низинную почву.

Заболачивание водами атмосферных осадков имеет поверхностный характер и связано с превышением количества осадков над испарением. Это свойственно холодным гумидным районам субарктического и бореального поясов. Поверхностное заболачивание атмосферными водами происходит на выровненных территориях, сложенных тяжёлыми породами. Оно начинается в различного рода понижениях водоразделов, где накапливаются атмосферные осадки, характеризующиеся незначительным количеством растворённых элементов питания.

Почвы поверхностного заболачивания образуются в условиях равнинного рельефа при отсутствии поверхностного стока или если он выражен очень слабо; при низкой водопроницаемости почв, вследствие развития подзолистого процесса и образования мощных ортзандровых прослоек в иллювиальном горизонте, или значительном утяжелении этого горизонта вследствие вмывания илистых частиц; при наличии влагоёмкого органического вещества на поверхности – мощной подстилки или мохово-лишайникового ковра.

Талые воды и воды осадков, накапливаясь над водонепроницаемыми прослойками, образуют верховодку и создают в верхних генетических горизонтах почвы анаэробные условия, ведущие к развитию восстановительных процессов. По мере просачивания и испарения в почве развиваются окислительные условия. Смена окислительных и восстановительных процессов приводит к образованию охристо-ржавых пятен в иллювиальном горизонте. По выраженности процессов оглеения почвы подразделяются на слабооглеенные, среднеоглеенные или глеевые.

На начальной стадии поверхностного заболачивания формируются перегнойно-подзолистые поверхностно-глееватые почвы, для которых характерно повышенное содержание органического вещества в верхнем горизонте (до 15-20%) и наличие признаков оглеения в горизонтах А₁, А₂, А₂В. При усилении глеевого процесса оглеивается гумусовый горизонт. Одновременно ухудшаются условия разложения лесного опада, что ведёт к увеличению мощности лесной подстилки и её оторфовыванию.

По мере дальнейшего заболачивания лесная подстилка превращается в торфянистый горизонт. Усиливается оглеение нижележащих горизонтов и формируется торфянисто-подзолистая глеевая почвы.

При дальнейшем развитии процесса оглеения торфянисто-подзолистая почва превращается в торфянисто- и торфяно-глеевые почвы, которые при последующем нарастании торфяного слоя превращаются в болотную верховую торфянистую почву и верховые торфяники.

При грунтовом заболачивании происходит насыщение верхних горизонтов почвы до полной влагоёмкости, при этом создаются благоприятные условия для появления и развития приспособленной к переувлажнению болотной растительности, что ведёт к образованию болотных почв.

Заболачивание может происходить мягкими, жёсткими и солёными грунтовыми водами. В первом случае в болотных почвах наблюдаются отложения болотной руды – больших скоплений лимонита (Fe₂O₃·nH₂O), во втором – отложение болотного мергеля Mg(CO₃)₂, в третьем – водорастворимых солей.

Заболачивание почв может быть следствием изменение гидрологического режима деятельностью человека. Примеры таких явлений имеют место, когда

- заболачивание вырубок во влажном поясе при снятии транспирационной функции леса; избыток воды способствует расселению сначала травянистых болотных растений и образованию травяных торфов, а затем поселению на них сфагновых мхов с образованием болот верхового типа;

- подтопление обширных пространств вокруг водохранилищ и открытых земляных каналов в результате инфильтрации и подъёма уровня грунтовых вод;

- заболачивание орошаемых полей в результате избыточных поливов при отсутствии искусственного дренажа.

Заболачивание пресными (мягкими) грунтовыми водами развивается на бескарбонатных, преимущественно лёгких породах, подстилаемых водоупорными тяжёлыми моренными, покровными или озёрными отложениями.

При этих условиях просачивание атмосферных осадков приводит к высокому стоянию грунтовых вод, вызывающих избыточное увлажнение почвенного профиля. Заболачивание начинается с развития оглеения в нижних горизонтах (В₂, ВС, С) и формирования торфянистой подстилки, а затем и торфянистого горизонта.

Устойчивое развитие грунтового заболачивания пресными водами приводит к образованию болотно-подзолистой, а затем торфяно-глеевой и торфяной почвы верхового болота. Растительность таких участков представлена угнетёнными сосной, берёзой, полукустарниками (багульник, голубика, клюква); в напочвенном покрове преобладают сфагновые мхи.

Заболачивание слабоминерализованными грунтовыми водами. При этом типе заболачивания происходит постепенное оглеение почвенных горизонтов снизу вверх, накопление лесной подстилки и постепенное её оторфовывание. Подстилка превращается в торфяной горизонт. В силу бедности почв элементами питания при их избыточном увлажнении происходит поселение влаголюбивой нетребовательной к элементам питания растительности (пушица, сфагновые мхи).

Этот ряд заболачивания представлен такими разностями: подзолистые со следами оглеения → глееватые → торфянисто-подзолистые глееватые → торфянисто- и торфяно-глеевые → торфяники верховые маломощные (толщина торфа от 50 до 100 см), среднемощные (от 100 до 200 см) и мощные (более 200 см).

Заболачивание жёсткими (сильноминерализованными) грунтовыми водами, которые содержат повышенное количество различных минеральных соединений, и прежде всего, двууглекислого кальция Са(НСО₃)₂. В этих условиях создаётся более благоприятный питательный режим для растений, чем при увлажнении атмосферными осадками. На таких участках развивается влаголюбивая требовательная травянистая растительность (осоки, злаки, тростники), а из древесных и кустарниковых – чёрная ольха, ива, берёза, смородина.

Постоянное присутствие бикарбоната кальция создаёт близкую к нейтральной или слабощелочную реакцию, при которой активизируются процессы гумификации, а образующиеся гумусовые вещества нейтрализуются и закрепляются ионом кальция. Образование гумуса происходит за счёт накопления гуматов кальция. При этом наблюдается увеличение мощности гумусового горизонта и повышение в нём органических веществ. Одновременно идёт постепенное оглеение нижних генетических горизонтов жёсткими грунтовыми водами.

Устойчивое и длительное переувлажнение жёсткими водами приводит к распространению оглеения вверх по профилю, в гумусовом горизонте ухудшаются условия минерализации органических остатков. На таких болотах долгое время образуется не торф, а перегной, имеющий почти нейтральную реакцию, при этом формируются перегнойно- или иловато-глеевые почвы. При дальнейшем заболачивании на поверхности образуется торфяной горизонт.

Ряд грунтового заболачивания жёсткими грунтовыми водами при песчаном составе материнских пород представлен следующими почвенными разностями: темно-цветно-подзолистые почвы со следами оглеения → темно-цветно-подзолистые глееватые → перегнойно-подзолистые глееватые → перегнойно-глеевые и перегнойно-железисто-глеевые почвы → торфянисто-перегнойно-глеевые → торфяно-перегнойно-глеевые → торфяно-глеевые и торфяники низинные маломощные, среднемощные и мощные. Мощность торфяного горизонта в торфянисто-перегнойно-глеевых почвах – 10…15 см, торфяно-глеевые – 30…45 см. Под ним хорошо выражен тёмно-серый гумусовый горизонт мощностью до 15…20 см.

Болотные почвы могут изменяться во времени, переходя из одной стадии в другую, что наблюдается при изменении водного питания и как следствие смене растений – торфообразователей. Эволюцию болотных почв можно наблюдать в природе, когда почвы низинных болот переходят в почвы переходных, а затем и верховых болот.

Основные показатели почв болотного верхового типа – органогенные горизонты, нацело состоящие из органических остатков олиготрофной растительности, высокая кислотность (рН_ксl - 2,5-3,8), низкая зольность (2,4-6,5%), небольшая плотность почвы (0,03-0,1 г/см³), высокая влагоёмкость (700-1500%), низкое содержание Са, К и Р, насыщенность основаниями составляет 10-50%.

Выделяют два типа верховых болотных почв: болотные верховые торфяно-глеевые (мощность торфа менее 50 см) и болотные верховые торфяные (мощность торфа более 50 см). Выделены четыре фациальные группы: непромерзающие, кратковременно промерзающие, длительно промерзающие, мерзлотные.

Болотные верховые торфяно-глеевые почвы распространены по краям верховых болот и в неглубоких бессточных понижениях равнинных водоразделов. В их профиле выделяют следующие горизонты:

А_о - очёс сфагновых мхов с примесью корневищ полукустарничков, древесных корней и трав, мощность 10-15 см;

Т – торфяной горизонт мощностью 30-50 см, по степени разложения торфа и в зависимости от ботанического состава горизонт подразделяют на горизонты Т₁ (слаборазложившийся), Т₂ (повышенная степень разложения). Т^nm (перегнойно-торфяной среднеразложившийся), Т_n (перегнойный сильноразложившийся);

G - глеевый горизонт.

В глинистых и тяжелосуглинистых почвах верхняя часть глеевого горизонта прокрашена потёчным гумусом в сизовато-серые или тёмно-серые тона (G_h), а нижняя часть представлена зелёновато-оливковым или голубовато-сизым глеем (G).

На песках под торфяным горизонтом часто образуется коричневый или ржаво-коричневый гумусово-железистый горизонт (G_fh), под которым расположен глеевый горизонт (G). Зольность торфяного слоя увеличивается сверху вниз, рН_ксl- 2,6-3,8. В естественном состоянии сильно насыщен влагой.

Болотные верховые торфяные почвы – занимают центральные части верховых болот. Профиль их слабо дифференцирован на горизонты. Вверху выделяют горизонт

А_о –сфагновый очёс, под которым залегает торфяной горизонт;

Т – бурого цвета или жёлто-бурого, насыщенный влагой, с хорошо оформленными растительными остатками.

Граница между торфяной почвой и торфоорганогенной породой в полевых условиях различается неясно. Обычно в пределах почвенных горизонтов до глубины 30-60 см расположены живые корни деревьев и полукустарников. Почва отличается высоким коэффициентом фильтрации и высокой водопроницаемостью в период понижения уровня грунтовых вод. Ёмкость поглощения 80-90 мг-экв/100 г почвы, Степень насыщенности основаниями 30-10%. Летом почвенно-грунтовые воды опускаются до глубины 20-50 см от поверхности.

В типе верховых болотных почв различают следующие роды:

- обычные – органогенный горизонт состоит из олиготрофных типов торфа (сфагнового или кустарничково-пушициевого);

- переходные – остаточно-низинные (засфагненные древесно-моховые и засфагненные травяно-моховые);

- гумусово-железистые – характерны для торфяно-глеевых почв на песках, имеют под торфом горизонт G_fh.

Разделение торфяных почв на виды осуществляются:

- по мощности органогенного горизонта – торфяно-глеевые маломощные (мощность торфа 20-30 см), торфяно-глеевые (мощность торфа 30-50 см), торфяные на мелких торфах (50-100 см), торфяные на средних торфах (10-200 см) и торфяные на глубоких торфах (более 200 см);

- по степени разложения торфа в верхней толще (30-50 см) – торфяные (менее 25%) и перегнойно-торфяные (25-45%).

Торфяные болотные низинные почвы – формируются в глубоких депрессиях рельефа на водораздельных равнинах, на древнепойменных террасах, в понижениях речных долин, на склонах в таёжно-лесной и лесостепной зонах в условиях дополнительного притока минерализованных грунтовых вод.

Реакция среды рН_ксl- 5,0-6,5, высокая степень насыщенности почв основаниями и обеспеченность элементами питания, высокая зольность (6,5-10%).

Тип торфяных почв делится на подтипы: болотные низинные (типичные) торфяно-глеевые, болотные низинные обеднённые торфяные, болотные низинные (типичные) торфяные.

Болотные низинные торфяно-глеевые почвы – распространены по окраинам низинных болот под эутрофной травянистой гигрофитной древесно-кустарниковой растительностью и гипновыми мхами.

Горизонты:

Т_n – торфяно-перегнойный (30-50 см), тёмно-бурый, переплетён корнями;

А₁ – гумусовый, чёрный или сизовато-серый с остатками корневищ, постепенно переходит в

G - глеевый горизонт, сизой или оливково-сизой окраски, по ходам корней много ржавых полос, пятен, примазок гидроокисей железа и марганца, степень насыщенности основаниями 20…30%.

Болотные низинные торфяные почвы распространены в центральной части низинных болот. Весь профиль формируется в пределах торфяных слоёв, их мощность колеблется от 30 до 50 см в сильно обводнённых болотах, до 60…70 см в слабо обводнённых.

Торфяной горизонт подразделяется на подгоризонты Т₁ и Т₂ по составу растительных остатков и степени разложения торфа.

Торфоорганогенная порода – светло-жёлтой или жёлто-бурой окраски, быстро темнеет от воздействия солнечных лучей, состоит их хорошо сохранивших форму растительных остатков, часто с запахом сероводорода. Зольность низинных торфов от 10 до 30…50%, содержание N - 1,6…3,8%, К – 0,03…0,2%, Р – 0,05…0,46%.

В типе низинных болот выделены следующие основные роды:

- обычные – нормальнозольные;

- карбонатные – содержат от 0,5 до 20…30: СаСО₃, на глубине 60…80 см имеются выцветы карбонатов, встречаются в условиях выхода карбонатных пород на поверхность;

- солончаковые – содержат 0,3…2,0% водорастворимых солей, распространены в речных долинах вблизи выхода сильноминерализованных грунтовых вод;

- оруденелые – содержат 6…24% Fe₂O₃ и более, характерны для древнепойменных террас; содержание Р нередко повышено благодаря присутствию вивианита, который при вскрытии разрезов имеет желтовато-белый цвет, при выходе на поверхность голубеет;

- заиленные – верхняя часть профиля обогащена минеральными частицами, распространены в речных долинах, балках, логах.

Подроды: моховые, древесные, травяные.

Торфяные горизонты верховых и низинных болот различаются по составу и свойствам.

Генетическая и агрономическая оценка торфа проводится по степени его разложения, ботаническому составу, составу органических веществ, содержанию азота, зольности, реакции среды и физическим свойствам.

Степень разложения определяется по относительному содержанию продуктов распада тканей, утративших клеточное строение.

Торф верховых болот имеет слабую или среднюю степень разложения, низинных – высокую.

Органическое вещество в верховых болотах представлено целлюлозой, гемицеллюлозой, лигнином и воскосмолами. Торф этих почв слабо гумифицирован, гумусовые вещества составляют 10…15% общего углерода, в их составе преобладают фульвокислоты. Торф низинных болот хорошо гумифицирован, в нём содержится 40…50% гумусовых веществ, преобладают гуминовые кислоты.

Содержание азота – 0,5…2,0% в верховых, 3…4% в низинных. Реакция верховых болотных почв кислая и сильнокислая, низинных – от слабокислой до слабощелочной, лишь в сульфатных низинных почвах рН_сол – 1,1…3,0. Ёмкость поглощения высокая – от 80-90 до 130-200 мг-экв/100г почвы. Степень насыщенности основаниями верховых почв 10…30%, низинных – 70…100%. Торф верховых почв имеет низкую зольность (2…5%), низинных (обеднённых переходных) – 0,5…10%, низинных высокозольных – 30…50%.

Фосфор содержится в органической форме – 0,1…0,4%, за исключением торфа некоторых травяных и ольшаниковых болот, где он представлен в виде вивианита. Все торфа бедны калием. Содержание кальция в верховых болотах - невелико, в низинных в среднем – 2…4%, в карбонатных – до 30%. В торфе оруденелых горизонтов содержание Fe₂O₃ - 5…20% и более, в засолённых – легкорастворимых солей до 2%.

Физические свойства. Болотные почвы имеют низкие показатели плотности, высокую влагоёмкость (низинные – 400…900%, верховые – 1000…1200%), слабую водопроницаемость и теплопроводность.

Болотные почвы в сельском и лесном хозяйстве могут использоваться как источник органических удобрений и как объект для освоения и превращения их в культурные угодья.

Для непосредственного использования на удобрение берут низинный торф, для компостирования – верховой.

Низинные болотные почвы представляют ценный земельный фонд после осушения и проведения культуртехнических и агротехнических мероприятий. Используются как пашня, сенокосы и пастбища.

При окультуривании необходимо проводить регулирование водного режима путём строительства регулируемых осушительных систем, внесение минеральных удобрений и микроудобрений, особенно медных.

Менее ценны для использования переходные болота, так как здесь необходимо известкование и внесение органических удобрений.

Для осушенных болотных почв должна быть применена специальная система удобрений и особая агротехника, а также первоначальное возделывание вико-овсяной смеси, многолетних трав и силосных культур. При дальнейшем окультуривании можно вводить овощные, технические и зерновые культуры.

Осушение торфяных почв приводит к изменению соотношения между жидкой и газообразной фазами, что существенно меняет направление почвообразовательного процесса, состав, свойства и режим мелиорированных почв, так как накопление торфа сменяется его разложением. При этом мощность торфяной залежи уменьшается вследствие усадки и уплотнения и биохимического разложения. Почвообразование захватывает более глубокие слои.

В связи с этим выделяют такие типы почв: освоенные верховые болотные и освоенные низинные болотные.

А_пах – 20…30 см, изменён под влиянием обработки и возделывания культур, и мало изменённые подпахотные горизонты.

В торфяных освоенных почвах ухудшается тепловой режим в связи с увеличением объёма пор занятых воздухом, имеющих меньшую теплопроводность, особенно для почв северной и средней тайги.

При освоении следует дифференцировать приёмы мелиорации и сельскохозяйственного освоения в соответствии с почвенно-климатическими условиями.

При глубоком освоении перегнойно-торфянистых почв происходит быстрая биогеохимическая сработка торфяных залежей и иссушение пахотного горизонта, что увеличивает эрозионную опасность (переосушка почв приводит к ветровой эрозии; ухудшается водный режим сопредельных территорий; повышается концентрация химических веществ в дренажных водах, загрязняются водоёмы).

При освоении болотных почв необходимо постоянно проводить регулирование водно-воздушного, теплового и окислительного режимов, повышать биологическую активность почв путём применения агрохимических приёмов и соблюдать применение специальных севооборотов.

Гидроморфные и полугидроморфные почвы. К гидроморфным почвам (гидрогенным) относится большая группа почв, формирующаяся в условиях избыточного увлажнения по сравнению с нормальным для плакорных пространств данной природной зоны увлажнения, которое может явиться результатом:

- близкого к поверхности стояния или периодического подъёма грунтовых вод (грунтово-водный гидроморфизм);

- поверхностного застоя атмосферных осадков в отсутствии их стока в подстилающую толщу или по склону (поверхностный или атмосферный гидроморфизм);

- сочетание грунтово-водного и поверхностного гидроморфизма;

- периодического формирования верховодки в пределах почвенной толщи на водоупорных горизонтах (внутрипочвенный гидроморфизм);

- периодического затопления паводковыми водами в речных поймах при сочетании, как правило, с влиянием близких грунтовых вод (пойменный, или аллювиальный гидроморфизм;

- постоянного водонасыщения при затоплении территории в плавнях, маршах, манграх, дельтах рек и по побережьям морей и озёр (маршевый гидроморфизм);

- периодического длительного затопления поверхности почвы при культуре риса (рисокультурный гидроморфизм).

Гидроморфные почвы формируются в условиях избыточного увлажнения, развивающего в результате длительного застоя или при близком залегании грунтовых вод (глубина залегания 3 метра), при затоплении талыми или другими водами, а также при суммировании этих процессов.

Капиллярная кайма может достигать поверхности почвы. Процесс почвообразования происходит в анаэробных условиях.

Гидроморфные почвы формируются в транзитных либо аккумулятивных ландшафтно-геохимических условиях и служат геохимическим барьером на пути миграции различных соединений.

В гумидных районах в них аккумулируются органическое вещество, соединения кремния, железа, марганца, фосфора. В аридных районах – известь, гипс, водорастворимые соли. Во всех случаях они служат ловушкой для микроэлементов и токсикантов.

В разных условиях гидроморфизма аккумулятивный процесс выражен в разной степени и в отношении разных веществ, но всегда имеет место. В истории эволюции многие почвы прошли стадию гидроморфизма, что характерно для всех гляциальных, флювиогляциальных и аллювиальных равнин мира.

Окислительно-восстановительный режим гидроморфных почв связан с их периодическим или постоянным переувлажнением и соответствующим анаэробиозисом, приводящим к развитию химических либо биохимических восстановительных процессов и падению (кинетического потенциала) до низких или даже отрицательных значений.

В гидроморфных почвах наблюдается чередование микрозон с высокими или низкими значениями кинетического потенциала, что обеспечивает нормальное питание и дыхание растений за счёт разности потенциалов между корнями и почвой.

Гидроморфные почвы не образуют классификационно единой группы почв, поскольку гидроморфизм сочетается с другими процессами почвообразования.

Для гидроаккумулятивной (субаквальной, подводной) стадии почвообразования характерны мангровые и маршевые почвы.

Для гидроморфной стадии аллювиальные (пойменные) и болотные почвы. Для мезогидроморфной стадии – выделяются многообразные полуболотные, заболоченные и луговые почвы, в которых гидроморфизмом затронута лишь нижняя часть профиля.

С гидроморфизмом связано формирование солончаков, солонцов, солодей, псевдоглеев и других, но ведущие процессы почвообразования у них другие.

Мангровые почвы – своеобразный и специфический экологически почвенный тип, связанный с океаническими побережьями тропического пояса и формируются в полосе приливов в подходящих для поселения мангровой растительности условиях, защищённых от прибоя низменных побережий, часто в дельтах рек.

Мангровые леса образуют полосы разных видов растений по направлению от моря к берегу.

Первая полоса – ризофоровая мангрова (ходульные корни). Вторая полоса – пневматофоровая мангрова (воздушные корни вертикально идущие вверх отростки, которые обнажаются при отливе). Третий пояс – низкорослые заросли кустарниковой пальмы и болотного финика.

В мангровых зарослях обитает обильная фауна – моллюски, крабы и другие ракообразные, черви, рыбки мелкие.

Для экологии мангров характерны:

- периодическое затопление дважды в день во время прилива и освобождение во время отлива;

- постоянная обводнённость илистого грунта – почвы;

- постоянное высокое содержание морских солей в почве и насыщающей её воде, но меньше, чем в морской, благодаря опресняющему действию приходящих с берега грунтовых вод;

- постоянно высокая температура тропического пояса.

Мангровые почвы не имеют почвенного профиля, а представлены единым генетическим горизонтом АС – сплошной илистый вязкий слой тёмно-серой окраски, «соляная морская грязь». В результате жизнедеятельности обильной фауны идёт биотурбация почвы и образуется гомогенизированная биогенная масса.

Почва обогащена элементами питания: NH₄, Р, К, Са, Мg, микроэлементами, 5…10% органического вещества гуматного состава. Реакция почвы нейтральная. Мангровые почвы ценный земельный фонд для рисосеяния.

Маршевые почвы – это своеобразные субаквальные почвы дельтовых плавней и приморских и озёрных маршей, занятых преимущественно тростниковой (папирус, лотос) растительностью. Они распространены в бореальных, суббореальных и субтропических поясах и экологически сходны с мангровыми почвами, так как подвержены периодическому воздействию приливных или нагонных вод.

Различают пресноводные (по побережьям пресных озёр) и солоноводные (по побережьям солёных озёр и морей) марши.

Маршевые почвы иногда объединяют с болотными, но это самостоятельные почвы, так как у них свой водный режим (постоянное затопление) и отсутствие профиля: горизонт АС – обогащён гумусом и восстановленными соединениями.

Освоенные маршевые почвы постепенно разделяются на два горизонта – гумусовый и глеевый, постепенно эволюционируя в болотные, лугово-болотные и луговые почвы по мере роста дренированности.

При дренировании и окислении они превращаются в «кошачьи глины» вследствие яркой соломисто жёлтой окраски пятен ярозита (сульфат железа) на фоне сизой оглеенной почвенной массы.

При окислении из нейтральных и слабощелочных становятся сильно-кислыми (рН 2,5…3,5). В маршах вследствие неустойчивости гидрологического режима развита большая пестрота почвенного покрова, чередование маршевых почв с торфяниками, каменистыми пространствами.

Аллювиальные пойменные почвы – формируются на пойменных террасах речных долин при заливании полой водой (половодье).

В речной пойме протекает два процесса поёмный и аллювиальный.

Поёмный процесс – это периодическое затопление почв пойменной террасы паводковыми водами.

Аллювиальный процесс – накопление речного аллювия в результате оседания на поверхности пойменных почв твёрдых частиц из паводковых вод.

Отложения аллювия немедленно вовлекаются в почвообразовательный процесс, поэтому аллювиальные почвы постоянно растут вверх, получая систематически новые порции почвообразующей породы. Непременным фактором аллювиального почвообразования являются грунтовые воды.

В пойме реки выделяют три части. Прирусловая – в ней оседает грубый материал, галечно-песчаный аллювий; центральная – здесь грунтовые воды захватывают своим влиянием нижнюю часть профиля; притеррасная, где оседает тонкий глинистый органо-минеральный аллювий, и грунтовые воды вызывают заболачивание вследствие застаивания воды на поверхности.

Пойма – геохимический барьер для веществ, приносимых грунтовыми водами: из гумусовых вод выпадает органическое вещество и кремнезём; из железистых – оксиды железа и марганца; из гидрокарбонатных – известь и гипс; из солёных – гипс, сульфат и хлорид натрия.

Особую роль в речных долинах играют дельтовые области, так как в них вследствие естественного развития дельтово-аллювиального процесса и накопления огромных масс аллювия и дельты постоянно мигрируют, смещаясь в стороны на десятки и сотни километров.

Для аллювиального почвообразования в поймах и дельтах рек характерен ряд экологических особенностей, связанных с общей биогеохимией этих специфических ландшафтов суши:

- формирование аккумулятивной, наносной, переотложенной коры выветривания за счёт подвижных продуктов выветривания и почвообразования, поступающих со всей площади водосбора в пойму реки в виде механических и химических осадков, как из паводковых вод, так и выклинивающихся в пойме грунтовых вод;

- накопленный аккумулятивный баланс почвообразования: с речным аллювием и из грунтовых вод в пойму поступают и аккумулируются в аллювиальных почвах глинистые минералы, гумус, СаСО₃, соединения фосфора, калия, азота, железа, марганца, микроэлементы;

- поёмный амфибиальный водный режим – при периодическом затоплении поверхности и постоянном участии грунтовых вод в почвообразовании;

- уравновешенный тепловой режим; благодаря высокой обводнённости в жарких аридных районах в поймах прохладнее, а в холодных северных районах в поймах теплее, чем на окружающей территории;

- постоянное омолаживание почвы в результате систематического вовлечения в почвообразование новых порций свежеотложенного аллювия, сопровождаемое ростом почвы вверх;

- развитие почвообразования одновременно с осадконакоплением и формированием материнской породы;

- гидроморфизм почвообразования при проточном водном режиме в прирусловье и центральной пойме;

- преобладание окислительной обстановки в основной части поймы вследствие насыщенности паводковых вод кислородом и поступления окисленных соединений с наилком;

- высокая биогенность среды на фоне высокой обеспеченности биофильными элементами при постоянном пополнении их запаса.

Высокая обеспеченность водой и элементами минерального питания почвенного покрова пойм и дельт обеспечивает его высоким потенциальным плодородием. В природных условиях в поймах развиваются высокопродуктивные луга, иногда сменяемые пойменными лесами.

В разных частях поймы природная растительность различна: в прирусловье произрастают обеднённые ксерофильные, часто псаммофитовые луга и кустарники (ивняки); в центральной пойме – наиболее продуктивные заливные луга; в притеррасье – осоково-тростниковые, черноольховые и другие низинные болота.

Почвенный покров пёстрый, сложный, мозаичный в связи с миандрированием речного русла и миграцией различных частей поймы. Широко распространены полициклические погребённые почвы.

I подгруппа типов - аллювиальные дерновые почвы.

Тип 1 - аллювиальные дерновые кислые (слоистые примитивные, слоистые, типичные, оподзоленные)

Тип 2 - аллювиальные дерновые насыщенные (слоистые примитивные, слоистые, типичные, остепняющиеся)

Тип 3 - аллювиальные дерновые карбонатные Вопросы 66-70

Лекция 20. Процессы и особенности почвообразования под разными типами растительности

1. Подзолообразование.

2. Миграция элементов и гранул по профилю почвы.

3. Роль подзолообразования в почвенном плодородии.

4. Особенности почвообразования под разными типами растительности.

5. Почвообразование под покровом хвойных, смешанных, лиственных и болотных растений.

6. Строение почвенных профилей и уровней плодородия.

Экологические системы, или биогеоценозы, разнообразны и многочисленны, но географическое из распределение на суше тесно связано с распределением почв.

Под пологом таёжно-моховых или мёртво-покровных хвойных лесов формируются преимущественно подзолистые почвы. Образование их профиля связано с развитием процессов оподзоливания (подзолистого процесса), элювиально-глеевого и лессиважа. Наиболее чётко подзолообразовательный процесс проявляется под пологом хвойных таёжных лесов с моховым покровом и слабым участием трав.

Основные массивы оподзоленных почв приурочены к подзолистой и глееподзолистой подзонам, и к южным районам зоны под хвойными лесами, особенно в условиях временного избыточного увлажнения. Большие их площади расположены на песчаных породах полесий.

Название подзолистых почв происходит от народного русского назва-ния «подзол». Этот термин введён в научную литературу В.В.Докучаевым.

На развитие учения о подзолообразовательном процессе оказали значительное влияние работы В.В.Докучаева, П.А. Костычева, Н.М. Сибирцева, И.В. Тюрина, Н.П. Ремезова, А.А. Роде. На последующее развитие теории о природе подзолистого процесса почвообразования большое влияние оказала коллоидно-химическая Теория К.К. Гедройца и биологическая теория В.Р. Вильямса.

По теории К.К. Гедройца под влиянием воды, диссоциирующей на ионы Н⁺ и ОН^-, изменяется подвижность коллоидов и минералов почвы. Причём, агрессивные действия воды в почве усиливаются под влиянием углекислоты, образующейся при разложении органических остатков. Основное участие в подзолообразовании по К.К. Гедройцу принадлежит водородному иону, который вытесняет из почвы другие обменные ионы. Ненасыщенная основаниями часть поглощающего комплекса усиленно разрушается водой на окиси кремния, алюминия и железа (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃).Возникшие при разрушении почвенного поглощающего комплекса гидрозоли перемещаются нисходящим током воды в нижележащие горизонты почвы. Встречаясь на некоторой глубине с электролитами, гидрозоли коагулируют и выпадают в виде гидрогелей, образуя иллювиальный горизонт.

По В.Р. Вильямсу подзолистый процесс протекает под влиянием деревянистой растительной формации и связан с определённой группой специфических органических кислот (фульвокислот), вызывающих разложение почвенных минералов. Передвижение продуктов разрушения почвенных минералов осуществляется преимущественно в форме устойчивых органо-минеральных соединений.

Существенная особенность подзолистого процесса – разрушение в верхней части профиля почвы первичных и вторичных минералов и вынос продуктов разрушения в нижележащие горизонты и грунтовые воды.

В наиболее чистом виде подзолистый процесс протекает под пологом хвойного таёжного леса с бедной травянистой растительностью или без неё. Отмирающие части древесной и мохово-лишайниковой растительности накапливаются преимущественно на поверхности почвы в виде лесной подстилки. Эти остатки имеют мало кальция, азота, и много трудноразлагаемых соединений – лигнин, воска, смолы, дубильные вещества.

Низкое содержание питательных веществ и оснований в лесной подстилке, а также преобладание грибной микрофлоры, способствуют интенсивному образованию кислот. Наиболее распространены фульвокислоты и низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная, уксусная, лимонная и др.). Кислые продукты подстилки частично нейтрализуются, освобождающимися из неё основаниями.

Большая их часть попадает с водой в почву, взаимодействуя с её минеральными соединениями. К кислым продуктам подстилки добавляются также органические кислоты, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, непосредственно в самой почве, а также выделяемые корнями растений.

Однако, несмотря на бесспорную прижизненную роль растений и микроорганизмов в разрушении минералов, ведущее место в оподзоливании принадлежит кислым продуктам специфической и неспецифической природы, образующимся в процессе превращения органических остатков лесной подстилки.

В результате промывного водного режима и действия кислых соединений из верхних горизонтов лесной почвы удаляются, в первую очередь, все легкорастворимые вещества. При дальнейшем воздействии кислот разрушаются и более устойчивые соединения первичных и вторичных минералов. Прежде всего, разрушаются илистые минеральные частицы, и верхний горизонт при оподзоливании обедняется илом.

Продукты разрушения минералов переходят в раствор и в форме минеральных или органо-минеральных соединений перемещаются из верхних горизонтов в нижние. Калий, натрий, кальций, магний - в виде солей угольной и органических кислот (в т.ч. в виде фульватов), кремнезём в виде силикатов калия и натрия и отчасти псевдокремниевой кислоты Si(OH)₄, сера в виде сульфатов.

Фосфор образует труднорастворимые фосфаты кальция, железа и алюминия и практически вымывается слабо. Железо и алюминий при оподзоливании мигрируют в основном в форме органо-минеральных соединений.

В состав водорастворимых органических веществ подзолистых почв входят фульвокислоты, полифенолы, низкомолекулярные органические кислоты, кислые полисахариды. Многие из этих соединений содержат помимо карбоксильных групп и энольных гидроксилов, атомные группировки (спиртовой гидроксил, карбонильную группу, аминогруппу и т.д.), которые обуславливают возможность образования ковалентной связи. Водорастворимые органические вещества, содержащие функциональные группы, носители эквивалентной и ковалентной связи, определяют возможность широкого формирования в почвах комплексных органо-минеральных соединений. При этом образуются коллоидные, молекулярные и ионорастворимые органо-минеральные комплексы железа и алюминия с различными компонентами водорастворимых органических веществ.

В результате подзолистого процесса под лесной растительностью обособляется подзолистый горизонт, обладающий следующими основными признаками и свойствами: имеет светло-серый или белёсый цвет, напоминающий цвет золы, вследствие выноса железа и марганца и накопления остаточного кремнезёма; горизонт обеднён элементами питания, полуторными окислами и илистыми частицами; имеет кислую реакцию и сильную ненасыщенность основаниями; в суглинистых и глинистых разновидностях он приобретает пластинчато-листовую структуру или становится бесструктурным.

Часть веществ, вынесенных из лесной подстилки и подзолистого горизонта, закрепляются ниже него, образуя горизонт вмывания или иллювиальный горизонт, обогащённый илистыми частицами, полуторными оксидами железа и алюминия и рядом других соединений.

Другая часть вымываемых веществ с нисходящим током воды достигает почвенно-грунтовых вод и, перемещаясь с ними, выходит за пределы почвенного профиля.

В иллювиальном горизонте, благодаря вмытым соединениям, могут образовываться вторичные минералы типа монтмориллонита, гидроокисей железа и алюминия и др. Иллювиальный горизонт приобретает заметную уплотнённость, некоторую сцементированность. Гидроокиси железа и марганца могут накапливаться в профиле почвы в виде железисто-марганцевых конкреций.

В лёгких почвах они приурочены чаще всего к иллювиальному горизонту, в тяжёлых – к подзолистому. Предполагается, что образование конкреций связано с жизнедеятельностью специфической бактериальной микрофлоры.

На однородных по механическому составу породах (покровные суглинки) иллювиальный горизонт формируется в виде тёмно-бурых или коричневых налётов (лакировки) органо-минеральных соединений на гранях структурных отдельностей, по стенкам трещин.

На лёгких породах этот горизонт выражен в виде оранжево-бурых или красно-бурых ортзандровых прослоек или выделяется коричнево-бурым оттенком. Иногда в иллювиальном горизонте накапливается значительное количество гумусовых веществ. Образуются подзолистые иллювиально-гумусовые почвы.

Таким образом, подзолистый процесс сопровождается разрушением минеральной части почвы и выносом некоторых продуктов разрушения за пределы почвенного профиля. Часть продуктов закрепляется в иллювиальном горизонте, образуя новые минералы.

Однако, элювиальному процессу, развивающемуся при оподзоливании, противостоит другой, противоположный по своей сущности процесс, связанный с биологической аккумуляцией веществ.

Древесная растительность, поглощая из почвы элементы питания, создаёт и накапливает в процессе фотосинтеза огромную массу органического вещества, достигающую в еловых насаждениях 200…250 т/га с содержанием от 0,5 до 3,5% зольных веществ. Соотношение извлекаемых элементов зависит от избирательной способности растений и значительно отличается от их соотношения, как в материнской породе, так и в почвенных горизонтах.

В составе зольных элементов, извлекаемых растениями, повышается содержание оснований кальция и калия, а также фосфора, серы, азота и понижается содержание кремния и полуторных окислов.

Зольные элементы, извлекаемые растениями, частично закрепляются на более или менее длительный срок в древесине стволов и ветвей, частично ежегодно возвращаются в почву с древесным опадом. По мере отмирания стволов, возвращается та часть зольных элементов и азота, которая задерживается в древесине.

Таким образом, древесная растительность создаёт непрерывный поток зольных элементов из более или менее глубоких слоёв почвы на её поверхность. Высокое содержание в составе золы древесных пород оснований также представляет собой явление противоположное образованию кислот, характерных для процесса оподзоливания, т. к. основания, содержа-щиеся в растительных остатках, нейтрализуют значительную их часть.

Таким образом, при биологической миграции зольных элементов и азота в лесных ассоциациях происходят следующие процессы:

- восходящее передвижение из различных слоёв почвы на её поверхность различных минеральных веществ, являющихся важными элементами пищи растений, в том числе и основания;

- высокое содержание оснований способствует нейтрализации образующихся при разложении растительных остатков органических кислот, и тем самым ослаблению процесса оподзоливания;

- элементы пищи, содержащиеся в растительных остатках, накапливаются в подстилке, откуда они могут быть извлечены растениями.

Следовательно: существенными элементами подзолообразования являются два противоположных процесса: собственно оподзоливания и биологической миграции и биологического накопления зольных элементов.

Интенсивность подзолистого процесса зависит от сочетания факторов почвообразования:

- наличие нисходящего тока воды – одно из условий его проявления; чем меньше промачивается почва, тем слабее протекает этот процесс;

- временное избыточное увлажнение почвы под лесом усиливает подзолистый процесс, так как в этих условиях образуются закисные легкорастворимые соединения железа и марганца и подвижные формы алюминия, что способствует их выносу из верхних горизонтов почвы;

- изменение режима увлажнения почвы, происходящее под влиянием рельефа, также может усиливать или ослаблять подзолообразовательный процесс;

- образование большого количества низкомолекулярных органических кислот и фульвокислот усиливает этот процесс;

Течение подзолистого процесса в большой степени зависит от химического состава материнской породы, в частности, от наличия кальция; на карбонатных породах процесс ослабевает, что обусловлено нейтра-лизацией кислот свободным углекислым кальцием породы и кальцием опада.

В разложении опада возрастает роль бактерий, а это приводит к образованию менее кислых продуктов, чем при грибном разложении. Катионы Са²⁺ и Мg²⁺, высвобождающиеся из лесной подстилки и содержащиеся в почве, коагулируют многие органические соединения, гидроокиси железа, алюминия и марганца, и предохраняют их от выноса из верхних горизонтов почвы.

Факторы, влияющие на процесс подзолообразования.

В процессе подзолообразования, как в любом процессе почвообразования, решающую роль играет растительность. Продукты распада органических остатков, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, вызывают разложение минеральных частиц. Этому способствуют и корневые выделения древесных растений. Одновременно древесная растительность создаёт восходящий поток биологической миграции зольных элементов.

Существенное значение для подзолообразовательного процесса имеет гидротермический режим, который обуславливает водный режим промывного типа. Периоды наиболее интенсивного промывания почвенной толщи наблюдаются в весенний и осенний сезоны года, когда биологическое поглощение зольных элементов происходит слабо или не происходит совсем, что является причиной вымывания из почвы некоторого количества минеральных окислов.

Степень развития подзолообразования зависит от состава растительности, т. е. различные древесные породы обладают различным оподзоливающим действием. Наиболее сильным оподзоливающим влиянием обладает ель, под которой легче всего образуется гумус типа «мор», и которая имеет поверхностную корневую систему. Сосна оказывает более слабое оподзоливающее действие, так как она потребляет меньше зольных элементов, и в сосновых лесах выше освещённость, которая способствует более быстрому разложению опада, и гумус типа «мор» не образуется. Ещё более слабое оподзоливающее действие лиственных пород.

На интенсивность оподзоливания значительное влияние оказывает напочвенный растительный покров. Мхи, особенно кукушкин лён, сфагновые мхи, обладают сильным оподзоливающим действием. Травяной покров, опад которого содержит много золы и быстро разлагается, оподзоливания не вызывает.

Накопление гумуса при подзолообразовательном процессе обуславливается следующими причинами:

- в верхнюю часть профиля с просачивающейся влагой поступают растворимые органические соединения из лесной подстилки, часть которых в верхних слоях минеральной толщи переходит в нерастворимое состояние;

- гумус, накапливающийся в верхней части горизонта А₁ (гумусовый), может образовываться за счёт разложения корневых остатков, особенно при наличии травянистой растительности.

Размеры накопления гумуса зависит от следующих факторов:

- состава напочвенного растительного покрова; под моховым покровом накопление гумуса невысокое или совсем отсутствует по сравнению с травянистым;

- изреженности древесного полога;

- состава пород (в широколиственных лесах процесс накопления гумуса развит значительно сильнее, чем в хвойных);

- высокое содержание кальция в материнской породе и в почве; (на карбонатных почвах гумусовый горизонт хорошо выражен);

- механический состав (на глинистых и суглинистых почвах процесс гумусообразования выражен сильнее, чем на песчаных и супесчаных, так как породы тяжелого гранулометрического состава богаче кальцием, а высокое содержание илистых частиц, способствует закреплению гумуса вследствие образования прочных соединений с глинистыми минералами, в особенности с монтмориллонитом и вермикулитом).

Поскольку процесс подзолообразования состоит из двух противоположно направленных процессов, то в зависимости от интенсивности их протекания, накопления питательных веществ и гумуса будет различно.

Для подзолов характерны следующие свойства:

- низкая общая гумусированность при резкой дифференциации содержания гумуса по профилю; максимум непосредственно под подстилкой, резко сменяющийся минимумом в подзолистом горизонте (Е); второй максимум более растянутый по вертикали в иллювиальным горизонтом (В);

- резко выраженный фульватный состав гумуса (Сгк : Сфк <1);

- сильная кислотность всего профиля; максимальная в подстилке (рН_ксl= 3-3,5), и постепенно уменьшающаяся с глубиной (рН_ксl= 4-4,5);

- крайне низкая ёмкость катионного обмена (5-10 мг-экв/ 100 г) при резко выраженной насыщенности основаниями; особенно высокая гидролитическая кислотность по отношению к обменным основаниям;

- чётко выраженное по почвенному профилю элювиально-иллювиальное распределение полуторных оксидов;

- высокая водопроницаемость и малая влагоёмкость;

- низкая обеспеченность элементами питания растений.

Подзолы имеют низкое естественное плодородие, но если их рассматривать в плане использования, то их надо рассматривать с точки зрения их лесорастительных свойств, т. е. их способность обеспечивать влагой и воздухом.

Вопрос об обеспеченности древесных насаждений влагой в лесной зоне распространения подзолов не является острым, так как годовая сумма осадков, распределение их по сезонам в подавляющем большинстве не является дефицитным и обеспечивает древесную растительность во влаге.

Кроме того, под лесной растительностью непрочная структура подзолов не разрушается, что повышает влагоудерживающую способность почв, особенно на почвах с материнской породой суглинистого и глинистого состава. Подзолы обеспечивают корневые системы деревьев достаточным притоком воздуха.

Подзолистые почвы песчаного механического состава бесструктурны, водоудерживающая способность песков ничтожна, поэтому древесные насаждения испытывают недостаток влаги и характеризуются низкой продуктивностью.

Подзолы на песках и на щебнистом элюво-делювии горных склонов - это типично лесные почвы и ни какое другое землепользование на них не является экономически целесообразным.

Вымывание зольных веществ в процессе подзолообразования из почвенной толщи неблагоприятно для обеспеченности насаждений питательными веществами. Однако насаждения высоких бонитетов встречаются на сильноподзолистых почвах, поскольку потеря таких окислов как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ не отражается на продуктивности, так как древесные растения используют их в незначительных количествах, в то время как содержание их в почвах, даже в верхних горизонтах сильнооподзоленных почв достаточно велико.

Менее удовлетворительно обстоит дело с основаниями (Са и К), потребность в которых у древесных насаждений очень велика. Несмотря на то, что в процессе подзолообразования эти элементы вымываются в значительных количествах, древесные насаждения способны обеспечивать себя и этими элементами, воздействуя биологическим и биохимическим путём на разложение различных первичных и вторичных минералов.

Фосфор накапливается в верхних горизонтах путём биологической миграции. Его слабая вымываемость обусловлена тем, что, переходя в легко подвижное состояние, он быстро усваивается организмами, а также быстро образует труднорастворимые соединения с гидроокисями железа и алюминия. Древесные растения способны усваивать фосфор из труднодоступных соединений, поскольку они поддаются воздействию микоризы, которая и обеспечивает фосфорное питание растений.

Общий запас азота в большинстве случаев считается достаточным, так как он постоянно пополняется за счёт поступления окислов азота с атмосферными осадками и за счёт деятельности микроорганизмов – азотфиксаторов. Кроме того, в азотном питании растений принимает участие микориза грибов, делая доступными органические соединения азота.

Введение песчаных подзолов в земледельческое пользование возможно, но они мало плодородны для сельскохозяйственных культур. Окультуривание их очень сложный, длительный и дорогостоящий процесс (известкование, внесение высоких доз органических удобрений, зелёные удобрения, минеральные удобрения).

При распашке, вышедших из-под леса, подзолистых почв непрочная естественная структура их разрушается. Разрушение структуры ведёт к развитию неблагоприятных физических явлений: заплыванию почв во влажном состоянии и образованию корки в сухом, вследствие чего снабжение растений влагой и воздухом резко ухудшается. Влагоёмкость и водопроницаемость таких почв понижена, а значительная часть поглощённой ими воды теряется на сток и на испарение. Даже при незначительных уклонах подзолистые почвы подвергаются смыву. Подзолистые почвы не могут обеспечить сельхозкультуры питательными веществами.

Высокая кислотность подзолистых почв обуславливает плохие условия азотного питания, а появление в почвенном растворе избытка алюминия и марганца является токсичным для сельскохозяйственных культур. Чтобы их использовать, необходима целая система мероприятий по поднятию их плодородия.

Дифференциация почвенного профиля на две различные по гранулометрическому, минералогическому, химическому составу и комплексу свойств части, из которых верхняя более легкая, нижняя более тяжёлая, происходит вследствие педогенеза – в процессе почвообразования на исходно однородной материнской породе, или литогенеза – унаследованные от исходно двучленной материнской породы.

В результате процесса подзолообразования образуется элювиально-иллювиально-дифференцированный профиль.

Под элювиально-иллювиально-дифференцированном профилем понимается почвенный профиль, сформировавшийся в педогенезе путём дифференциации исходной почвообразующей породы на генетические горизонты в результате выноса нисходящим током воды ряда веществ из его верхней части (элювиальный процесс в элювиальной части профиля) и аккумуляция этих веществ или только их доли (часть веществ может уходить за пределы почвенного профиля и из данного ландшафта) в средней и нижней частях (иллювиальный процесс в иллювиальной части профиля).

В верхней элювиальной части профиля в разных экологических ситуациях и в разных физико-химических условиях при обязательности промывного или полупромывного водного режима могут иметь место следующие процессы:

- разрушение первичных и вторичных минералов с выносом продуктов разрушения в истинных или коллоидных растворах (оподзоливание, псевдооглеение);

- суспендирование тонкодисперсных частиц (ил, тонкая и средняя пыль) и вынос их в не разрушенном состоянии (лессивирование);

- отмывка крупных частиц от коллоидных полуторооксидных плёнок и вынос соответствующих соединений (отбеливание).

Активными агентами указанных процессов являются: водородный ион воды, угольной кислоты или простых органических кислот; хелатизирующие и солеобразующие гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты.

Допускается, что в иллювиальной нижней части профиля происходит аккумуляция продуктов разрушения или отмывки с последующим образованием новых форм, или же минеральных форм с последующей кристаллизацией аморфных веществ, а также не разрушенных минеральных компонентов, элювиированных сверху.

Диагностическими критериями элювиально-иллювиальной дифференциации в профиле тонкодисперсных фракций без их разрушения, т. е. процесса лессивирования, являются следующие:

- более тяжёлый гранулометрический состав иллювиального горизонта (Вt) по сравнению с элювиальным горизонтом (Е – А₁);

- более высокое отношение коллоидов к общей глине в горизонте Вt, чем в горизонте Е;

- видимая макро- и микроморфологически аккумуляция натечных глин в горизонте Вt;

- постоянство молекулярного отношения SiO₂:Al₂O₃, в составе глинистой фракции во всех горизонтах при одновременном более широком отношении во всей массе горизонта Е, чем во всей массе горизонта Вt, за счёт обеднения горизонта Е глиной и накопления её в горизонте Вt.

При наличии четырёх признаков горизонт Вt признаётся глинисто-иллювиальным.

Природа элювиального процесса весьма разнообразна в зависимости от различных экологических условий и типа почвообразования.

Вынос (миграция) элементов по почвенному профилю происходит при процессе подзолообразования.

Вынос тонких фракций без их разрушения происходит при процессе лессивирования или лессиважа.

Процесс лессиважа протекает под лиственными лесами при участии менее кислого гумуса и сопровождается передвижением из верхних горизонтов в нижние без химического разрушения. Считается, что лессивирование предшествует оподзоливанию, а при определённых условиях оба процесса могут идти одновременно.

Лессиваж – сложный процесс, включающий механическое проиливание, комплекс физико-химических явлений, вызывающих диспергирование глинистых частиц и перемещение их с нисходящим током под защитой подвижных органических веществ, комплексование и вынос железа.

Слабокислая и нейтральная реакция почвенного раствора и подвижные органические вещества (фульвокислоты, таниды) усиливают развитие лессиважа.

Основными признаками разделения подзолистых и лессивированных почв являются состав ила по профилю (SiO₂:R₂O₃) и наличие «ориентированной глины» (пластинок глины, определённой ориентации, позволяющей судить о их передвижении с нисходящим током воды).

Глинистые частицы обладают ярко выраженной способностью ориентироваться определённым образом в отношении друг друга, что приводит к образованию их агрегатов (псевдокристаллов), создающих то или иное микростроение почвенной плазмы. Такие образования в почве получили название «ориентированных глин» или оптически ориентированных глин.

Ряд учёных считает, что в лессированных почвах состав ила по профилю постоянен, в оподзоленных – различен в подзолистом и иллювиальном горизонтах; в лессированных почвах в иллювиальном горизонте присутствует заметное количество «ориентированной глины», свидетельствующей о перемещении ила без разрушения. Однако эти критерии разделения почв остаются дискуссионными, так как передвижение ила по трещинам и порам наблюдается во многих почвах, и лессиваж нельзя считать специфическим процессом для формирования профиля только подзолистых почв.

Образование профиля подзолистых почв – результат ряда процессов, но ведущая роль в формировании подзолистого горизонта принадлежит процессу оподзоливания. На суглинистых породах он обычно сочетается с лессиважем и поверхностным оглеением (элювиально-глеевый процесс), которые также способствуют образованию элювиально-иллювиального профиля подзолистых почв.

Почвы, у которых осветлённый элювиальный горизонт формируется благодаря лессиважу и поверхностному оглеению, называются псевдоподзолистыми, а совокупность процессов – псевдооподзоливанием.

Таким образом, в образовании почв подзолистого типа участвуют следующие процессы:

1. Оподзоливание – процесс, в основе которого лежит кислотный гидролиз глинистых силикатов в условиях гумидного климата и промывного водного режима с остаточной аккумуляцией в подзолистом горизонте кремнезёма и обеднение его илом, алюминием, железом, основаниями.

Механизм процесса: действие иона Н⁺, появляющегося при диссоциации Н₂СО₃ (К.К. Гедройц); или выделяемый корнями растений (А.А. Роде); влияние NH₄⁺ (Н.П. Ремезов); действие гумусовых кислот, (особенно фульвокислот В.В. Пономарёва); влияние чередования окислительной и восстановительной обстановки в кислой среде (С.П. Ярков); непосредственное действие кислых выделений микроорганизмов, особенно грибов (В.Р Вильямс, Т.В. Аристовская).

2. Оглеение – процесс метаморфического преобразования минеральной почвенной массы в результате постоянного или длительного периодического переувлажнения почвы, приводящего к интенсивному развитию восстановительных процессов, иногда сменяемых окислительными. Процесс характеризуется восстановлением элементов с переменной валентностью, разрушением первичных минералов, синтезом специфических вторичных минералов, имеющих в своей кристаллической решётке ионы с низкой валентностью, незначительным выносом оснований и иногда аккумуляцией соединений Fe, S, P, Si.

3. Лессивирование (лессиваж) – процесс пептизации, отмывки илистых и тонкопылеватых частиц с поверхности зёрен грубозернистого (песчаного или крупнопылеватого) материала, или из микроагрегатов и выноса их в неразрушенном состоянии из элювиального горизонта.

Особенности почвообразования под разными типами растительности.

В лесных насаждениях источником органического вещества почвы являются опад и отпад растительности, роль которого в образовании горизонтов лесных подстилок очень велика. Органическое вещество, создаваемое растениями, в виде опада и отпада, попадает на почву, и под воздействием живых организмов видоизменяется и минерализуется до простых соединений – СО₂, Н₂О, простых солей, либо преобразуется в новые сложные соединения – почвенный гумус.

Роль различных видов растительности (древесной, травянистой, лесной, степной или луговой) в процессах почвообразования существенно различается.

Под древесной растительностью опад поступает на поверхность почвы, и корни её в гумусообразовании участвуют в меньшей степени.

Под травянистой растительностью значительная доля органических остатков поступает в почву в виде корневых остатков.

Поскольку каждая растительная ассоциация тесно связана с почвой, почвообразующей породой, то тип растительности определяет тип почвообразования.

В хвойных лесах преобладает подзолообразовательный процесс, в лиственных и смешанных лесах почвообразование идёт в основном под воздействием подзолистого и дернового процессов, под травянистой растительностью протекает дерновый процесс, под болотной растительностью в зависимости от степени увлажнения преобладают торфообразовательный и глеевый процессы почвообразования.

Однако, обычно все эти процессы протекают в большинстве своём в сочетании, образуя различные почвенные типы.

В хвойном лесу опад, в силу специфики его химического состава и большой механической прочности, очень медленно подвергается разложению, образуется грубый гумус, который вместе с лесным опадом, образует подстилку типа «мор» различной мощности.

Процессы разложения в подстилке осуществляются преимущественно грибами; гумус имеет фульватный характер.

Процесс почвообразования при промывном водном режиме чаще всего идёт по типу подзолообразования, развивается элювиальный процесс, образуются подзолистые почвы и подзолы.

При подзолообразовании в таёжной зоне наблюдается резкое деление профиля на горизонты. Формирующиеся почвы характеризуются высокой кислотностью, ненасыщенностью основаниями, малой гумусностью, низким содержанием питательных элементов, особенно азота, вследствие почти полного отсутствия процесса нитрификации, пониженной биологической активности и низким уровнем плодородия.

Подзолистые почвы – формируются под хвойными и лиственно-хвойными лесами с моховым или мохово- кустарниковым, или мохово-травяным наземным покровом.

Годовое количество осадков в зоне преобладает над испарением, что обеспечивает промывной тип водного режима. Профиль подзолистых почв формируется под воздействием нисходящих токов, содержащих водорастворимые органические кислоты (фульвокислоты, муравьиная, уксусная, лимонная и другие).

Под воздействием этих кислот разрушаются первичные и вторичные минералы, а продукты распада и илистая фракция выносятся с нисходящим током воды в нижележащие горизонты и грунтовые воды.

Подзолистый процесс наиболее интенсивно развивается при периодическом избыточном увлажнении верхних горизонтов и образующая при этом почва имеет резкое деление профиля на генетические горизонты.

Набор горизонтов и их характеристика могут существенно изменяться в зависимости от подтипа, рода, вида почвы:

Профиль целинных лесных почв представлен наиболее полной системой горизонтов и имеет следующее морфологическое строение.

А_о – лесная подстилка в виде лесного войлока, полуразложившегося оторфованного слоя или слаборазложившегося опада, мощность от нескольких мм до 7-10 см;

А_оА₁ – грубогумусовый горизонт, отчасти сохраняющий строение и свойства лесной подстилки, мощность от 0,5 до 2 см;

А₁ – гумусовый, перегнойно-аккумулятивный, светло-серого, серого, иногда тёмно-серого цвета, порошистый или непрочно комковато-порошистый, мощность от 1-2 до 12-15 см и более;

А₁А₂ – переходный, гумусово-элювиальный горизонт, серый, светло-серый, белёсо-серый, иногда с палевым оттенком, более осветлённый, чем А₁, порошистый, неясно слоистый, мощность не превышает 5-10 см;

А₂ – подзолистый (элювиальный), белёсый, светло-серый структура плитчатая или листовая, иногда бесструктурный, мощность от 1 до 10 см и более;

А₂В – переходный элювиально-иллювиальный горизонт, окрашен в бурые и красные тона с обильной присыпкой кремнезёма, структура ореховато-плитчатая, мощность 10-15 см;

В – иллювиальный горизонт мощностью от 10 до 100 см, обычно самый плотный и ярко окрашенный в профиле, структура ореховатая, постепенно к низу переходит в призматическую; подразделяется в зависимости от окрашивания, структуры и плотности на два подгоризонта В₁ и В₂; по трещинам и на поверхности структурных агрегатов имеются белёсая присыпка и коричневые натёчные плёнки;

ВС – переходный светло-коричневый или светло-бурый глыбистый, постепенно переходит в материнскую породу;

С – почвообразующая порода, слабо изменённая или неизменённая почвообразованием (морена, покровный суглинок, флювиогляциальные отложения).