Органическое вещество почвы

Количество органических остатков, поступающих в почву и на ее поверхность, определяется типом растительности, ее возрастом, условиями произрастания. Например, в еловом или березовом лесу 60–80-летнего возраста средний годовой опад листвы составляет от 4 до 7 тонн на 1 га.

Под травянистой растительностью основной источник гумуса – корни, масса которых в метровом слое почвы (в воздушно-сухом состоянии) составляет на суходольных лугах таежно-лесной зоны от 6 до 13 т на 1 га, в зоне степей 8–28 т, в зоне пустынь 3–12 т на 1 га. Многолетние сеяные травы в зависимости от их состава и условий произрастания оставляют в почве 6–15 т корней на 1 га, а однолетняя культурная растительность – 3–5 т.

Скорость разложения органических остатков зависит от их состава. Основная часть массы органических остатков (75–90 мас.д.,%) – вода; сухое вещество включает углеводы, белки, лигнин, липиды, воски, смолы, дубильные вещества и др. Быстро разлагаются остатки травянистых растений, особенно богатых белками бобовых растений; медленно – лесная подстилка, содержащая лигнин, смолы, дубильные вещества.

Превращение органических остатков в почве. Разложение органических остатков происходит под воздействием воды, воздуха, животных и главным образом микроорганизмов, обитающих в почве.

Бактерии активно участвуют в трансформации органического вещества во всех почвах. Эти микроорганизмы с помощью своих экзоферментов как источник пищи и энергии используют белок, простые сахара, крахмал, органические кислоты, спирты, альдегиды, разлагают клетчатку и имеют преимущество в разложении углеводов.

Актиномицеты, как и бактерии, могут использовать любые углеводы, в том числе активно разрушают маннаны, ксиланы, пектиновые вещества, целлюлозу, кератин, могут разрывать длинные цепочки жирных кислот и углеводородов.

Грибы способны совершать многие процессы трансформации, но с меньшей скоростью, чем бактерии. В то же время расщепление лигнина и танинов в природе идет преимущественно под их воздействием. Грибы осуществляют и разложение гумуса.

Процессы трансформации органического вещества идут при активном участии ферментов. Ферменты – структурированные белки, несущие множество функциональных групп, осуществляющих катализ. Выполняя роль катализаторов, они в миллионы раз ускоряют течение химических реакций распада и синтеза органических веществ.

Таким образом процессы разложения и минерализации носят биокаталитический характер.

Аэробный процесс разложения при благоприятных условиях протекает интенсивно и приводит к полной минерализации органических остатков. При этом углерод из различных соединений окисляется до диоксида углерода, водород – до воды, азот – до азотистой и азотной кислот, фосфор – до фосфорной кислоты, сера – до серной кислоты. Все эти кислоты соединяются с основаниями, имеющимися в почве и золе растений и образуют различные минеральные соли. Большинство этих солей растворяется в воде и служит источником питания для растений.

Анаэробный процесс разложения (гниение) органических остатков, возникающий главным образом при избыточном увлажнении почвы, протекает медленно. Он характеризуется неполным разрушением органических остатков. Если продукты жизнедеятельности анаэробных бактерий из среды не удаляются, разложение замедляется или прекращается, неразложившиеся остатки консервируются. Кроме того, под влиянием анаэробных процессов ряд химических соединений в почве восстанавливается. Например, Fe₂O₃ восстанавливается до FeO.

Помимо процессов минерализации и консервации органических остатков, в почве протекает процесс гумификации – образования гумусовых веществ. Процесс гумификации протекает в несколько этапов. Начальный этап- биохимическое окислительное кислотообразование, т. е. формирование системы гумусовых кислот. Вторая стадия – постепенное нарастание ароматизации вследствие частичной деструкции алифатических цепей, путем гидролиза и процессов окисления при участии окислительных ферментов.

Гумусовые вещества как специфический продукт гумификации представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. Они представлены гуминовыми кислотами, фульвокислотами и негидролизируемым остатком или гумином.

Основные группы гумусовых кислот, взаимодействующих в почве: фульвокислоты и гуминовые кислоты. Их соединения содержатся в гумусе всех типов почв, но в различных количествах и соотношениях. Например, в черноземах преобладают гуминовые кислоты, в подзолистых и дерново-подзолистых почв – соединения фульвокислот.

Гуминовые кислоты черного цвета, имеют следующий элементный состав:

• углерод 50–62 %,

• водород 2,8–6,6 %,

• кислород 31–40 %,

• азот 2–6 %.

Молекула гуминовой кислоты имеет сложное строение. Ядро молекулы содержит бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца типа бензола, фурана, пиридина, индола и др. Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через углерод или мостиками в рыхлую сетку.

Периферию молекулы составляют цепи боковых радикалов, как правило, неароматического строения, в состав которых входят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты.

Важной частью молекулы являются функциональные группы: карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, карбонильные, амидные. Строение молекул определяет свойства гуминовых кислот. Они слабо растворяются в воде, но растворимы в слабых растворах щелочей. Кислотная их природа обусловлена теми же причинами, что и у фульвокислот.

Фульвокислоты в зависимости от концентрации имеют цвет от соломенно–желтого до оранжевого. В элементный химический состав фульвокислот входят:

• углерод 41–46 %,

• кислород 40–48 %,

• водород 4–6 %,

• азот 2–6 %.

Строение молекулы имеет однотипную природу с молекулой гуминовой кислоты. Отличие состоит в том, что в молекуле фульвокислоты доминируют алифатические структуры. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде, минеральных кислотах и слабых растворах щелочей. Их водные растворы обладают сильно кислой реакцией (рН 2,6–2,8). Кислотная природа обусловлена карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к реакциям обмена.

Высокомолекулярные гумусовые вещества (гуминовые кислоты и фульвокислоты) в растворах обладают свойствами коллоидов.

Гумусовые кислоты активно взаимодействуют с минеральной частью почвы, при этом формируются различные органоминеральные производные. Из компонентов почвы в таких реакциях участвуют катионы NН₄⁺, К⁺, Na⁺ и Са²⁺, Мg²⁺, поливалентные металлы и глинистые минералы.

Выделяют три группы соединений.

1. При взаимодействии гумусовых кислот с катионами почв образуются соли – фульваты и гуматы. Гуматы аммония и щелочных металлов хорошо растворимы в воде, гуматы кальция и магния нерастворимы, они образуют водопрочные гели (осадки коллоидов); склеивая и цементируя частицы почвы, они могут закрепляться на поверхности глинистых минералов. Все соли фульвокислот растворимы в воде и легко вымываются по профилю почвы.

2. Поливалентные металлы образуют с гумусовыми кислотами сложные алюмо- и железо-гуминовые соединения комплексной природы (в этих соединениях все железо и большая часть алюминия находятся в анионной части молекулы). Алюмо- и железо-фульватные соли наиболее подвижны, они легко вымываются и перемещаются по профилю почвы. При высокой насыщенности среды оксидами металлов выпадают в осадок. Алюмо- и железо-гуминовые соли менее подвижны, они осаждаются и накапливаются на месте своего образования.

3. Специфическая группа органоминеральных производных гумусовых веществ образуется при взаимодействии гумусовых кислот и их солей с коллоидами почвы. При этом происходит прочное склеивание пленок гумусовых кислот и их солей с поверхностью минеральных коллоидов – образуются органоминеральные коллоиды.

Условия образования гумуса. В природных условиях отдельных почвенно-климатических зон характер и скорость разложения органических остатков и процесса гумификации неодинаковы, они зависят от ряда взаимосвязанных условий почвообразования. Процесс гумификации интенсивно протекает в тех почвах, в которых складываются благоприятные условия для роста растений и микроорганизмов:

• благоприятное сочетание температур и выпадающих осадков в период вегетации,

• суглинистый механический состав почв и почвообразующих пород, наличие карбонатов в них,

• нейтральная и слабощелочная реакция.

Такие условия имеются на юге лесостепной зоны. В черноземных почвах этой зоны образуется наибольшее количество гумуса, в его составе преобладают гуминовые кислоты, которые прочно закрепляются в почве.

К югу от зоны типичных черноземов увеличивается теплообеспеченность и сухость почвы, что приводит к уменьшению количества биомассы, увеличению ее минерализации, ослаблению процесса гумификации. Поэтому запасы гумуса в темно–каштановых почвах меньше по сравнению с черноземами. К северу, с меньшей обеспеченностью теплом и большей увлажненностью, на бескарбонатных почвообразующих породах с кислой реакцией среды, сокращается количество травянистых остатков и их зольность. Образующиеся продукты гумификации частично вымываются, поэтому запас гумуса в подзолистых почвах обычно не превышает 100 т на 1 га.

В таежно-лесной зоне в составе органических остатков немалую долю занимают остатки деревянистых растений, при разложении которых образуется большое количество фульвокислот.

Гумификация в значительной степени зависит от механического состава почвы. В песчаных и супесчаных почвах органическое вещество быстрее и полнее минерализуется, гумуса накапливается меньше, чем в глинистых почвах, где процесс разложения замедляется, а закрепление гумусовых веществ идет интенсивнее. На увеличение содержания гумуса в почве оказывает влияние химический состав почвообразующих пород и содержание оснований кальция и магния в почве. Последнее способствуют закреплению гуминовых кислот и образованию ценной структуры почвы.