1) Формирование специфического почвенного профиля (с горизонтом а), образование структуры почв, улучшение водно-физических свойств почвы, увеличение поглотительной способности и буферности почв;
2) источник минеральных элементов питания для растений (N, P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы), источник органического питания гетеротрофных почвенных организмов, источник СО2 в приземном слое атмосферы и биологически активных соединений в почве, что непосредственно стимулирует рост и развитие растений, мобилизирует элементы питания, влияет на биологическую активность почвы;
3) Выполняет санитарно-защитные функции – ускоряет разрушение пестицидов, закрепляет загрязняющие вещества, снижая поступление их в растения.
В связи с разнообразной ролью органического вещества в плодородии почв актуальное значение приобретает проблема гумусового баланса пахотных почв. Как и любой баланс, гумусовый баланс включает статьи прихода (поступление органических остатков и их гумификация) и расхода (минерализация и другие потери). В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее: баланс положительный или нулевой, в пахотных почвах чаще – отрицательный. В среднем пахотные почвы теряют около 1 т/га гумуса в год. Для регулирования количества гумуса применяют систематическое внесение достаточного количества органического вещества в виде навоза (из 1 т навоза образуется ≈ 50 кг гумуса), торфяных компостов, посев многолетних трав, применение зеленых удобрений (сидератов), известкование кислых почв и гипсование щелочных.
Гумусное состояние почв служит важным показателем плодородия и определяется системой показателей, включающих уровень содержания и запасы органического вещества, его профильное распределение, обогащенность азотом (С : N) и кальцием, степень гумификации, типы гумусовых кислот и их соотношение. Отдельные его параметры служат объектом мониторинга окружающей среды.
Что такое гумус? Гумус – это перегной, органическая часть почвы, которая образуется в результате биохимического превращения животных и растительных остатков. В гумусе находятся основные элементы питания, необходимые растениям, которые под воздействием живущих в почве микроорганизмов превращаются в доступную для растений форму.Важнейшая функция гумуса – это накопление минерального рациона для всех растений. На многофункциональных молекулах гумуса удерживаются минеральные компоненты. Благодаря такому строению почвы она не теряет своего плодородия, независимо от погоды. Талые воды и осадки не вымывают полезные вещества. Помимо этого, стоит сказать и о том, что гумус помогает создавать хорошую структуру почвы. Почва с достаточным содержанием гумуса – рыхлая, влагоемкая, воздухопроницаемая. Поэтому даже в жаркую погоду в такой земле растения не сгорают. Тут также большое значение имеет комкообразная структура гумусной почвы, в то время как на обрабатываемых участках почва чаще всего пылеобразная
Гумусовые вещества, образующиеся в почве, активно участвуют в процессах почвообразования. Гумус играет главную роль в формировании профиля почвы. В благоприятных для роста растений условиях формируется хорошо выраженный темноокрашенный гумусовый горизонт. Гумус склеивает почвенные частицы в агрегаты (комочки), способствуя созданию агрономически ценной структуры и благоприятных для жизни растений физических свойств почвы. В гумусе содержатся основные элементы питания растений (N, Р, К, S, Са, Mg) и различные микроэлементы. Эти элементы в процессе постепенной минерализации гумусовых веществ становятся доступными для растений.
Гумусовые вещества почвы служат пищей для гетеротрофных почвенных микроорганизмов. Отсодержания гумуса в почве зависит интенсивность биологических и биохимических процессов, обусловливающих накопление питательных веществ, необходимых растениям.
Почвенный гумус придает почве темную окраску и способствует поглощению солнечной энергии. Богатые гумусом почвы более теплые, в них создаются благоприятные условия для роста и развития культурных растений, а также для почвенных микроорганизмов.
Почвы с низким содержанием гумуса отличаются бесструктурностью, плохими водными, воздушными и тепловыми свойствами.
Почвы, богатые гумусом, характеризуются большей поглотительной способностью, лучшими водными и физическими свойствами. В этом отношении особая роль принадлежит гуминовым кислотам, которые образуют с катионами кальция и магния устойчивые соединения, предохраняют эти элементы от
Источники гумуса – свежие вещества раст. и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву в виде наземного и корневого опада растений, остатков животного происхождения, в т.ч. микроорганизмов, состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.) Гумусообразование : гумификация, минерализация, минерализация гумусовых веществ, взаимодействие орг. веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция орг. и орг.-мин. соединений (процесс формирования динамичной системы орг-мин соединений в профиле почв). Разложение (распад) свежих остатков осуществляется микро- флорой и фауной при участии хим. реакций. В результате промежуточные продукты разложения (аминокислоты, моносахариды, олигосахариды и др.). Частично минерализация (распад до конечных продуктов) до простых солей, частично гумификация. Гумификация – образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных.
10.Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную, полидисперсную систему высокомолекулярных, азотсодержащих, ароматических органических соединений кислотной природы. В их составе выделяют три группы: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин, или негидролизуемый остаток. Качественное соотношение этих групп характеризует групповой состав гумуса. В составе групп выделяются фракции, отличающиеся друг от друга некоторыми свойствами (растворимость, молекулярная масса, элементный состав и др.). Количественное соотношение фракций характеризует фракционный состав гумуса.
Гуминовые кислоты — группа темно-окрашенных (от бурой до черной) гумусовых кислот (бурые, серые, гиматомелановые), которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных растворов гуминовые кислоты осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух-, трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы.
Ядро молекулы представлено ароматическими или гетероциклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой углеродными, аминокислотными и другими цепочками и мостиками (-О-, -N-, -СН2-, -С-С-) и образуют рыхлое сетчатое строение.
Боковые цепи содержат функциональные группы, преимущественно карбоксильные (-СООН) и фенолгидроксильные (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, которые предопределяют кислотную природу этих соединений.
Водород функциональных групп способен замещаться на металлы. При этом образуются соли гуминовых кислот — гуматы.
Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов, которая составляет при нейтральной реакции 300-700 мг-экв на 100 г препарата гуминовой кислоты; при кислой — несколько снижается, а при щелочной — возрастает до 800-1000 мг-экв. В элементном составе гуминовых кислот содержится: С - 50-62%; О - 31-40%; N - 2-5%; Н - 3-5%. Значительная часть азота находится в труднодоступной для растений форме. Кроме того, в составе препаратов всегда содержится 1-5% зольных элементов (Si, Al, Fe, Р и др. ), даже после тщательной их очистки. Молекулярная масса гуминовых кислот может достигать десятков и сотен тысяч единиц.
Почвенные гуминовые кислоты содержат азот, количество которого примерно равно 3,5—5%; заключенный в гуминовых кислотах азот имеет микробиологическое и растительное происхождение.
По сравнению со средним элементарным составом растительных остатков группа гуминовых кислот отличается более высоким процентным содержанием углерода, азота и меньшим содержанием воды при несколько более высокой степени окисленности. Очевидно, образование в почве гуминовых кислот из растительных остатков характеризуется процессами дегидратации (обуглероживания) и частичным окислением при одновременном значительном обогащении азотом (И. В. Тюрин).
Гуминовые вещества заключают в себе некоторое количество Р, S, Fe, К, Са и других элементов зольного питания растений.
В дерново-подзолистых и серых лесных почвах, а в особенности в красноземах, содержание гуминовых кислот понижено и в составе гумуса преобладает группа фульвокислот; поэтому отношение гуминовые кислоты — фульвокислоты в этих почвах всегда меньше единицы.
Химический состав перегноя непосредственно сказывается на качестве почв. Наиболее благоприятными свойствами обладают почвы в том случае, когда в составе перегноя гуминовые кислоты занимают значительное место и отношение гуминовых кислот к фульвокислотам приближается к единице.
Наряду с перегноем в почве всегда содержатся неразложившиеся и слабо разложившиеся растительные и животные остатки, тела живых и мертвых микроорганизмов, трудно разлагающиеся составные части растений, например лигнин, дубильные вещества, смолы, воск и вещества, образовавшиеся в результате химического взаимодействия между продуктами разложения и синтеза органических веществ и минеральными соединениями почвы.
Отсюда становится очевидным, что перегной, или гумус, как определенная и наиболее характерная категория устойчивых органических соединений, составляет лишь часть органического вещества почвы. Однако главную и специфическую часть органических соединений почвы составляют гумусовые вещества, на долю которых в большинстве случаев приходится 80—90% всей органической массы почвы.Почвенные гуминовые кислоты содержат азот, количество которого примерно равно 3,5—5%; заключенный в гуминовых кислотах азот имеет микробиологическое и растительное происхождение.
По сравнению со средним элементарным составом растительных остатков группа гуминовых кислот отличается более высоким процентным содержанием углерода, азота и меньшим содержанием воды при несколько более высокой степени окисленности. Очевидно, образование в почве гуминовых кислот из растительных остатков характеризуется процессами дегидратации (обуглероживания) и частичным окислением при одновременном значительном обогащении азотом (И. В. Тюрин).
Гуминовые вещества заключают в себе некоторое количество Р, S, Fe, К, Са и других элементов зольного питания растений.
11.руппа фульвокислот отличается от гуминовых кислот низким содержанием углерода, значительно более высоким содержанием элементов воды и более высокой степенью окисленности. Элементарный химический состав их характеризуется следующими показателями: С —44—50%, О — 42—48%, Н — 4,6-6%, N-2,5-5,5%.
Эквивалентный вес фульвокислот при определении его по их кальциевым солям равен 160. Образование фульвокислот в почвах может происходить в условиях, благоприятных для гидролитического и окислительного разложения органических остатков, т. е. при наличии достаточного увлажнения (особенно сквозного) и аэрации. Накопление фульвокислот в почвах происходит в результате связывания их с гидратами полутораокисей, главным образом с гидроокисью алюминия, или же в форме сложных полимерных комплексов с гуминовыми кислотами, если для образования последних имеются необходимые условия (И. В. Тюрин).
Фульвокислоты обладают резкокислой реакцией и хорошей растворимостью в воде, поэтому они энергично разрушают минеральную часть почвы, играя существенную роль в развитии подзолообразовательных процессов.
При взаимодействии с катионами щелочных и щелочноземельных металлов фульвокислоты образуют соли, растворимые в воде при любой реакции раствора и способные вымываться нисходящими токами воды из верхней части почвы вниз.
Гумины являются наименее доступной для выделения и исследования группой гумусовых веществ; гуминовые вещества представляют собой комплексы, состоящие в основном (на 60—70%) из не растворимых в щелочах гуминовых кислот. Согласно исследованиям И. В. Тюрина и Е. Л. Гуткиной, гумины, по-видимому, являются не особой группой гумусовых веществ, а гуминовыми кислотами, находящимися в прочной связи с минеральной частью почвы, особенно с частицами глинных минералов. Поэтому гумины представляют собой самую инертную часть почвенного перегноя.
Кроме этих соединений, в состав почвенного перегноя могут входить битумы, представляющие собой совокупность жиров, высокомолекулярных жирных кислот, восков и смол. Содержание битумов в гумусе незначительное и обычно не превышает 2—4% от общего веса перегноя и только в заболоченных почвах повышается до 10—20%.
12.Первичным и основным источником органических веществ, из которых образуется гумус, являются отмершие части растений в виде корней и наземного опада. Меньшее значение имеют остатки червей, насекомых и позвоночных животных. В пахотных почвах существенное значение для увеличения запасов гумуса приобретают органические удобрения — навоз, торф, компосты и др.
Количество и химический состав органических веществ, поступающих в почву, зависят от типа растительности.
Под травянистой растительностью, надземная часть которой в основном отчуждается, важнейшим источником органического вещества почвы являются корни растений. Так, в степной зоне в метровом слое почвы масса корней составляет от 8 до 28 т/га, а под луговой растительностью таежно-лесной зоны от 6 до 13 т/га. Под многолетними сеяными травами в зависимости от их урожая масса корневых остатков составляет от 6 до 15 т/га, а под посевами однолетних культурных растений всего лишь 3...5 т/га. Кроме корневых систем растений источником органического вещества почвы являются пожнивные остатки на полях и оставшаяся часть трав на сенокосах и пастбищах.
Почвенные беспозвоночные животные (черви и насекомые) также пополняют запасы органического вещества почвы. Их биомасса под естественной растительностью увеличивается от тундры к широколиственным лесам и уменьшается в зоне сухих степей и пустынь.
В лесных почвах основной источник образования гумуса — лесная подстилка из опавших листьев, хвои, веток и других отмирающих частей древесных растений. Корни деревьев живут долго, поэтому доля их участия в образовании гумуса невелика.
Все отмершие растительные и животные организмы под воздействием почвенных микроорганизмовподвергаются сложным превращениям. Часть их минерализуется, а другая часть превращается в специфическое органическое вещество почвы — гумус.
Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом.
Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).
Растительный опад различается не только количественно, но и качественно (см. главу 2). Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.
Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO2) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.
В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород. Состав органического вещества можно представить следующим образом (рис.6).
13.