ЛЕКЦИЯ 4

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ

ПЛАН

1.Источники поступления органического вещества в почву. Химический состав ОВП. Система органических веществ почвы.

2. Процессы трансформации ОВП.

3.Гумус – специфическое ОВП. Состав и свойства гумусовых веществ. Гумусовое состояние почв зонального ряда.

4.Факторы и условия гумусообразования. Требования растений к гумусному состоянию 5. Роль гумуса в почвообразовании и плодородии.

6. Мероприятия по регулированию количества и качества гумуса в почве.

1 ВОПРОС

Вся совокупность органических компонентов в пределах почвенного профиля называется органическим веществом. Это общее понятие объединяет все органические компоненты почвы за исключением тех, которые входят в состав живой биомассы (эдафон). Эдафон включает живые корни растений, микроорганизмы и почвенную фауну. На его долю приходится 2-15% от общего содержания ОВП. Все важнейшие процессы в почве протекают при прямом или косвенном участии ОВ.

Основные источники ОВП :

1.остатки отмерших растений в виде корней и наземного опада (первичное ОВП);

2.остатки отмерших животных (вторичное ОВ).

Количество поступающей в почву органической массы зависит от характера растительности:

в тундрах и пустынях растительный опад не превышает 1-2 т/га сухого вещества;

в таежно-лесной зоне в подзоне южной тайги -10 т/га;

а в широколиственных лесах – 12-13 т/га;

в луговых степях ежегодный опад составляет до 25 т/га;

в зоне сухих степей – 13-15 т/га.

Самая высокая продуктивность во влажных лесах тропического пояса 50-55 т/га.

В лесах главный источник образования гумуса – наземный опад (хвоя, шишки, ветки, листья).

Под травянистой растительностью основной источник образования гумуса – мелкие корни, масса которых составляет в зоне степей от 8 до28 т/га, в зоне пустынь – 3-12 т/га. В лесах таежной зоны на долю корней растений приходится около 25 % от надземной фитомассы. В травянистых экосистемах на долю надземных органов приходится около 10-30% от общей биомассы. Например, корневая система трав в степи – 20-25т/га, а надземная часть – 5-7т/га.

В агроценозах растительный опад также доминирует и зависит от выращиваемой культуры, ее урожайности и количества отчуждаемой биомассы. Так, после уборки пшеницы в почву поступает 2-6,5т/га сухого вещества, кукурузы – 1,5-6, гороха – 1,0-3,2, ячменя – 1,1-4,5, клевера – 2,0-9,1 т/га. Таким образом, первичный и основной источник ОВ из которого образуется гумус – остатки зеленых растений в виде корней и наземного опада.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ. Органические остатки, роступающие в почву, на 75-90% состоят из воды. В состав сухого вещества входят углеводы, белки, лигнин, липиды,воска, смолы, дубильные вещества и др. зольные вещества.

Углеводы. В растительных остатках в большом количестве содержатся полисахариды (клетчатка или целлюлоза (С6Н10О5)р). В древисине хвойных и лиственных пород ее 50-60%, в листьях, хвое и в остатках травянистых растений -20-40%, во мхах – 10 -15 %. В воде клетчатка не растворяется. Хитин – аналог клетчатки, но содержит азот. Он входит в состав клеточных оболочек грибов и насекомых.

Лигнин. Входит в состав клеточных стенок в виде пропитывающего вещества, содержание может достигать 40%. По элементарному составу отличается от клетчатки более высоким содержанием углерода и более низким содержанием кислорода. Элементарная формула лигнина – С10Н10О3 или С10Н11О3.

Азотистые вещества. В растениях представлены белками (протеинами), которые составляют главную часть протоплазмы клеток и их ядер. Содержание в растениях колеблется от 0,6 до 14,8%. Так в древисине хвойных и лиственных пород содержится белков – 0,6-1 %; в хвое и листьях – 3,5-9,2 %; во мхах – 4,5-8,0 %; в соломе злаков – 3,5-4,7 %; в сене луговом – 9,5 %; в сене степном – 10,3 %; в сене клеверном – 12,6 %; в сене люцерновом – 14,8%. В грибах и бактериях соответственно 10-50 и 40-80%. К числу азотистых соединений небелковой природы относятся хлорофилл и алкалоиды.

Жиры и близкие к ним вещества. Их содержание в растительных остатках невелико. Они образуют запасные вещества в семенах и плодах. Более высокое содержание жиров в низших организмах: водорослях,грибах, бактериях.

Близки к жирам различные воска, выполняющие функции защитных веществ. Содержание их в растительгых клетках незначительно.

Дубильные вещества. Это производные многоатомных фенолов. Они хорошо растворяются в воде, легко окисляются, с белками дают нерастворимые и устойчивые к гниению соединения.

Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях, однако в низших и однодольных травянистых растениях их мало. Значительное количество их находится в древесине (дуба – 5-7%), и коре некоторых деревьев: ели – 5-16%, сосны – 6-18%, ивы – 2-15%, каштана -15-27%, в полукустарничковых из семейства вересковых: черника – до 20%, брусника – 7-10%. При отмирании клеток дубтльные вещества окисляются и приобретают бурую окраску.

Зольные вещества. Это вещества, остающиеся после сжигания растений и растительных остатков. Содержание золы сильно меняется. В среднем оно составляет 5% отмассы сухого вещества растительных остатков. Основную массу золы составляют Са, Мg, К, Nа, Si,Р, S, Fе, Аl, Мn, Сl. В малых количествах в золе встречаются микроэлементы: йод, цинк, бор, фтор и др. В золе древесных растений больше кальция. а в золе травянистых – калия. Наиболее низкое содержание золы в древесине деревьев и мхах – 1-2%, листья и кора деревьев содержит – 4-6 %, травянистые растения – 10-15%.

В зависимости от биоценоза химический состав растительного опада существенно варьирует. В почвы тундры поступает опад, обогащенный углеводами, таннинами, флавоноидами и в меньшей мере лигнином. Для опада хвойных лесов характерны низкая зольность, высокое содержание липидов и аренов, устойчивых к разложению, недостаток азотсодержащих веществ, моно- и олигосахаридов. Растительные остатки луговых степей отличаются пониженным содержанием липида и лигнина. Они обогащены азотсодержащими белковыми соединениями, углеводами и зольными элементами.

Таким образом, с органическими остатками в почву поступает очень сложный комплекс различных по строению, по составу и свойствам соединений, которые в дальнейшем подвергаются разнообразным процессам трансформации. В органическом веществе почвы содержатся практически все соединения, входившие в состав растений, бактериальной и грибной плазмы, продуктов их взаимодействия и трансформации. Среднее время существования в почвах этих соединений варьирунт от суток до сотен и тысяч лет.

Система органических веществ почвы

ОВП подразделяют на две группы: органические остатки и гумус. Неразложившиеся остатки, которые видны невооруженным глазом или под лупой, составляют 5-10% от общего содержания ОВП. Входящие в их состав органические компоненты – источник образования гумуса, на долю которого в большинстве минеральных почв приходится до 90-99% от общего содержания ОВП. (схема).

Гумус-сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. В составе гумуса различают промежуточные продукты распада и гумификации, неспецифические органические и специфические гумусовые вещества.

Неспецифические органические соединения – это группа органических веществ, поступающих в почву из разлагающихся растительных и животных остатков, с прижизненными выделениями корней, макро- и микроорганизмов (лигнин, целлюлоза, белки, липиды, углеводы и другие соединения). При дальнейшей трансформации этих соединений образуются промежуточные продукты разложения и гумификации.

Неспецифические органические соединения и промежуточные продукты разложения и гумификации объединяют в одну группу под названием вещества неспецифической природы. Часть из них усваивают микроорганизмы, частично они распадаются до конечных продуктов, а часть включается в процесс гумификации и трансформируется в специфические гумусовые вещества. Гумусовые вещества накапливаются в почвах и представляют собой специфический прдукт почвообразования. Только в составе гумуса полностью доминируют гумусовые вещества, составляя до 90-95% его массы.

Специфические гумусовые вещества представлены гумусовыми кислотами, негидролизуемым остатком и прогуминовыми веществами.

2 Вопрос

Разложение мертвых органических остатков сопровождается несколькими одновременно протекающими процессами:

1. Аккумуляция первичного органического вещества – поступление растительных остатков на поверхность и в толщу почвы.

2. Разложение – совокупность процессов биохимического окисления нерастворимых в воде органических остатков с образованием более простых, частично растворимых в воде органических и минеральных соединаний.протекает под влиянием деятельности микроорганизмов. В процессе разложения растительные остатки теряют анатомическое строение.

3. Микробный синтез – процесс образования тел микроорганизмов из более простых водорастворимых органических (сахаров, аминокислот) и минеральных соединений. После отмирания микробы подвергаются разложению и гумификации.

4. Гумификация или гумусообразование – медленный биохимический процесс, приводящий к образованию гумусовых веществ – процесс превращения растительных остатков в гумусовые кислоты и их соли.

5. Минерализация – совокупность процессов превращения ОВ в минеральные соли, воду и углекислоту.

Процессы разложения и минерализации обеспечивают поступление элементов питания в биологический круговорот.

Процессы микробного синтеза и гумификации обеспечивают закрепление и накопление органических веществ в толще почвы.

Все процессы превращения ОВ в почве протекают в присутствии кислорода, воды и углекислоты при участии микроорганизмов.

Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал, хорошо разлагаются белки, целлюлоза; устойчивы к разложению и минерализации лигнин, смолы, воски.

НА начальном этапе распада органических остатков лигнин, белки, углеводы, липиды подвергаются гидролитическому расщеплению экзоферментами вне клеток микроорганизмов. В результате образуются пептиды, нуклииновые кислоты, олигосахара, полифенолы и др продукты. Благодаря дальнейшей трансформации часть этих соединений проникает через клеточные мембраны и подвергается превращеиям уже в клетках микроорганизмов.

Скорость разложения орган-х остатков в почве зависит от: химического состава и анатомического строения орган-х остатков, влажности и температуры почвы, ее гранулометрического и химического составов, активности микрофлоры и других факторов.

Таким образом, процессы разложения и превращения орган-х остатков можно объеденить в три группы.

1. Химические превращения, совершающиеся вне клеток живых организмов , то есть собственно химические , биохимические, физико-химические и др., совершающиеся под влиянием ферментов, минеральных катализаторов.

2.Процессы превращения орган-х остатков при участии почвенных животных. В почве распространены дождевые черви, многоножки, личинки двукрылых и жуков, взрослые жуки, моллюски, муравьи. Число их на 1м2 лесной почвы может достигать несколько тысяч. Биоиасса почвенных беспозвоночных животных изменяется с севера на юг: в почвах тундры – 70, хвойных лесах – 200, широколиственных лесах – 1000, степи – 250, пустыни – 10 кг/га.

Воздествие животных на растительные остатки заключается в измельчении, перемешивании раст-х ост-в с минеральной частью почвы, биохимической обработке остатков. Не усвоенная животными часть остатков выбрасывается ими в виде экскрементов, обогащенных кишечной бактериальной флорой. В экскрементах орг-е вещ-а тесно перемешаны с минеральными частицами пищи. Экскременты почвенных жив-х улучшают структурность почвы и уменьшают ее кислотность.

Велико значение дождевых червей в превращении орган-х остатков. По наблюдениям Ч.Дарвина, общее количество почвенной массы ежегодно пропускаемое дождевыми червями через пищеварительный канал может достигать 25т/га. В лесных почвах дождевые черви перерабатывают до 30% и более общей массы растительного опада. В таких случаях лесная подстилка не накапливается и к концу лета почти вся исчезает. При этом в почве образуется хорошо выраженный гумусовый горизонт.

Важную роль в гумусообразовании играют почвенные беспозвоночные животные. Возрастание численности беспозвоночных сопровождается повышением содержания гумуса.

3. Процессы превращения орган-х остатков при участии микроорганизмов. Деятельность микроорганизмов – один из важнейших факторов разложения и превращения орган-х ост-в в почве.

Масса живых бактерий в слое 0 – 25см доходит до 5 – 7т/га. В почве встречаются следующие группы микроорганизмов: бактерии, грибы, водоросли, простейшие и ультромикробы. По отношению к кислороду бактерии разделяют на 2 группы: аэробные и анаэробные.

Из почвенных грибов распространены плесневые грибы и актиномицеты. Масса грибов в почве меньше, чем масса бактерий. Грибы развиваются в верхних горизонтах почвы. Благоприятная для грибов рН кислая (4), для актиномицетов – нейтральная и слабощелочная (рН 7,0 – 7,5).

Водоросли в почве – зеленые, синезеленые, диатомовые. Их больше под травянистой растительностью и меньше под хвойной. Могут жить и в глубоких слоях и тогда ведут себя как гетеротрофы.

Простейшие имеются в почве в значительном количестве. Пищей для них служат бактерии и частично грибы, но могут питаться и растительными остатками.

Для разложения и превращения растительных остатков необходимы грибы и бактерии.

Микробы . Могут использовать для своего питания нерастворимые в воде соединения , переводя их в растворимые. Часть продуктов распада (до 25%) расходуется микроорганизмами на построение их тел. Этот процесс называют микробным синтезом. Другая часть продуктов гидролиза (75-80%) расходуется микроорганизмами как энергетический материал, при окислении которого выделяется необходимая для их жизни энергия.

Гумусообразование – процесс формирования динамичной системы органо – минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Или - это процесс формирования органопрофиля почв. Или – медленное биохимическое окисление высокомолекулярных орг-х вещ-в с образованием высокомолекулярных гумусовых веществ.

Возраст гумуса в черноземе – 1700 лет.

В настоящее время предложен ряд концепций образования гумусовых веществ, но все они носят гипотетический характер. Наибольшим признанием пользуются следующие.

1. Конденсационная (полимеризационная) гипотеза. Эта гипотеза пользуется большой популярносттью. Впервые была выдвинута А.Г.Трусовым (1913). Сущность процесса гумификации:

--- процесс гумификации сопроваждается минерализацией компонентов раст-х оста-в до СО2, Н2О,NН3 и др;

--- все компоненты раст-х тканей могут быть первоисточниками гумусовых кислот;

--- ответственное звено процесса формирования гумусовых веществ – конденсация путем окисления фенолов ферментами до хинонов и взаимодействия последних с аминокислотами и пептидами;

--- заключительное звено формирования системы гумусовых веществ – поликонденсация (полимеризация) представляет химический процесс.

Некоторые существенные моменты не подкреплены достаточной аргументацией:

--- неясен механизм формирования ФК;

--- почему процессы разложения сложных орг-х соединений до простых сменяются на каком-то этапе процессами их конденсации.

2. Гипотеза биохимического окисления. И.В.Тюрин считал, что основная черта гумификации – реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение. По Л.Н.Александровой гумификация представляет длительный процесс и состоит из 3 этапов: новообразование гумусовых кислот; их дальнейшая гумификация и консервация; постепенное медленное разрушение гумусовых кислот.

3. Биологическая теория гумусообразования (микробиологическая концепция гумификации). Сущность этих теорий заключается в том, что гумусовые кислоты синтезируются внутри клеток живых организмов. Эту теорию развивал В.Р.Вильямс. он считал, что древесная растительность и грибы, актиномицеты и анаэробные бактерии способствуют синтезу ФК, травянистая растительность в комплексе с аэробными микроорганизмами – ГК. Согласно этим концепциям гумусовые вещества – это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые была сформулирована П.А.Костычевым. установлено, что внутри клеток многих грибов, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные пигменты, которые по составу и свойствам близки к ГК.

4. Кинетическая теория гумификации – разработана в 70-х годах Д.С.Орловым. в основе лежит принцип отбора наиболее устойчивых орг –х соединений в процессе гумификации. Глубина гумификации характеризуется отношением СГК:СФК. Однако, эта теория не применима к почвам южно-европейской и восточносибирской фации и к почвам субтропических и субтропических областей.

5. Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х годах А.Д.Фокиным. суть в том, что продукты разложения могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а включается за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем – в циклические структуры. При этом периферические фрагменты обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор назвал фрагментарным.

Все теории дополняют друг друга, все в той или иной степени подтверждены экспериментально.