Органическое вещество почвы. Состав и свойства органического вещества.

Органическое вещество является важной субстанцией, наличие и формы которой отличают почву от горной породы и определяет почвенное плодородие. Источниками органического вещества являются органические остатки отмерших растений (первичное органическое вещество), продукты их микробиологической трансформации, а также остатки животных (вторичное органическое вещество), которые разлагаются под действием почвенных микро- и макроорганизмов с различной скоростью. При этом в почве происходит два противоположных процесса - минерализация и гумификация. В процессе минерализации свежее органическое вещество постепенно преобразуется, выделяя минеральные элементы, жидкости или газы: NH3, CO2 (рис. 11.1.1). В благоприятных условиях минерализация происходит в два этапа. Сначала продуцируется NH3 (аммонизация), который последовательно окисляется до азотистой и далее до азотной кислоты (нитрификация). В неблагоприятных условиях при сильной кислотности или в анаэробных условиях происходит только аммонификация.

Растительные остатки быстрая минерализация NH₃, (НNO₃), CO₂, PO₄, SO₄

азот атмосферный

синтез гумусовых

коллоидных комплексов медленная минерализация NH₃, (НNO₃), CO₂, PO₄, SO₄

(гумификация)

Рис. 11.1.1.Схема разложения растительных остатков.

Наряду с этим в почве происходит гумификация, когда в процессе трансформации органического вещества образуются относительно устойчивые коллоидные гумусовые комплексы, способные противостоять микробному воздействию. Гумификация – это совокупность процессов превращения исходных органических веществ в специфические гумусовые вещества кислотного характера, а также процессов, определяющих уровень накопления и соотношения этих кислот в почве.

Гумификация происходит, с одной стороны, в результате физико-химических процессов (окисления и полимеризации под влиянием аэрации и иссушения, фиксации NH₃ и NH₂ радикалами СООН), с другой стороны, в результате биологических процессов, которые активизируют первые. Основными факторами, влияющими на процессы гумификации, являются: микроклимат почвы (аэрация, влажность), содержание кальция и азота, наличие стабилизаторов гумуса (глины, окислы железа и алюминия, способствующие аккумуляции гумуса), биологическая активность среды.

В биологически малоактивной среде, очень кислой или плохо аэрируемой, преобладают процессы абиологической гумификации, так как недостаток оснований и кислорода значительно замедляет деятельность микроорганизмов. В результате этого происходит разложение свежего органического вещества при почти полном отсутствии процессов синтеза. Медленная и неполная гумификация приводит в основном к образованию фульвокислот.

Для биологически активной среды характерна биохимическая гумификация. Она зависит от преобладания в первичном веществе лигнина или целлюлозы и гемицеллюлозы. В результате гумификации веществ с преобладанием лигнина происходит увеличение группы карбоксила СОО‾, происходит разложение протеинов с освобождением аминокислот и NH₄ОН, которые фиксируются на циклических ядрах преобразованного лигнина и полимеризованных танинов. При гумификации веществ, содержащих целлюлозу и гидраты углерода, в построении гумусовых кислот участвуют одновременно обе составляющих. Наиболее важными продуктами биохимической гумификации являются гуминовые и фульвокислоты.

В результате минерализации и гумификации в почвах образуется сложная смесь из свежего частично трансформированного органического вещества и вновь образовавшихся гумусовых соединений. К ним относятся: 1) мало затронутые разложением остатки с сохранившейся волокнистой или клеточной структурой, 2) промежуточные продукты типа целлюлозы или лигнина, 3) коллоидные комплексы остаточного происхождения или образовавшиеся путем микробного синтеза, 4) быстро минерализуемые растворимые вещества.

Таким образом, органическое вещество – это вся совокупность органических соединений, присутствующих в почвах. Оно включает органические остатки растений и животных, сохранившие исходное анатомическое строение, а также отдельные органические соединения специфической и неспецифической природы.

Набор входящих в состав почвы органических веществ закономерен и обусловлен факторами почвообразования. Общая схема подразделения органических веществ почвы представлена на рис. 11.1.2.

Неразложившиеся остатки растений и животных составляют 5-10% общего содержания органического вещества неживой фазы большинства минеральных почв. В химическом отношении они представляют собой сложную систему веществ, которые не являются единым целым.

Гумус – основная часть органического вещества почвы, полностью утратившая черты анатомического строения организмов. Его составляющими являются индивидуальные органические соединения, которые делятся на две большие группы: неспецифические и специфические органические соединения.

Почва

Неорганическая часть почвы

Органическая часть почвы (органическое вещество почвы)

Живые организмы (население почвы)

Органо-минеральные соединения

Гумус

Остатки, не утратившие анатомического строения

Промежуточные продукты распада и гумификации

Гуминовые вещества

Неспицифические соединения (негуминовые вещества)

Прогуминовые вещества

Гумусовые кислоты

Гумин

Гуминовые кислоты

Гематомелановые кислоты

Фульвокислоты

Черные (серые)

Бурые

Рис.11.1.2. Система органических веществ почвы (по Д.С.Орлову)

Вещества неспецифической природы составляют 10-15% общего содержания органических веществ и представлены соединениями известных в органической химии классов: белки, жиры, углеводы, воск, смолы, органические кислоты.

Вещества специфической природы занимают 85-90% и представлены собственно гумусовыми веществами: гуминовая кислота, фульвокислота, гумин. Гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, которые объединены общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения: 1) специфической окраской – от темно-бурой до оранжевой, 2) кислотным характером, обусловленный карбоксильной группой, 3) содержанием углерода в среднем около 50% и азота около 3%, 4) наличием циклических фрагментов, содержащих 3-6% гетероциклического азота, 5) наличием негидролизуемого азота, составляющего 25-35% от общего содержания, 6) большим разнообразием различных по молекулярным массам веществ.

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений. Они обладают высокой подвижностью, низкими молекулярными массами и более низким содержанием углерода по сравнению с другими группами гумусовых веществ. Характеризуются достаточно выраженными кислотными свойствами, склонностью к комплексо- и хелатообразованию. Фульвокислоты имеют более светлую окраску, чем вещества других групп.

Гуминовые кислоты – нерастворимая в минеральных и органических кислотах группа гумусовых соединений. Имеют более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода, менее выраженный кислотный характер.

Гумин – неэкстрагируемая часть гумуса, представленная двумя типами соединений. К первому типу относятся гумусовые вещества, наиболее прочно связанные с глинистыми минералами (глиногумусовый гумин). Вторую группу представляют частично разложившиеся растительные остатки, утратившие анатомическое строение и обогащенные наиболее устойчивыми компонентами (детритный гумин).