Тема 4. ОРГАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПОЧВ
Органическая часть почвы представлена органическими остатками растительных и животных организмов и гумусом и во многом определяется состоянием живой фазы почв.
Живая фаза почв представлена совокупностью организмов: растительных и животных микроорганизмов (водоросли, бактерии, грибы, актиномицеты); почвообитающих животных (простейшие, черви, моллюски, членистоногие).
Вся масса живого вещества выполняет большую и очень разнообразную работу: водоросли синтезируют новое органическое вещество путем фотосинтеза; бактерии, грибы, актиномицеты являются основными разрушителями органических остатков; некоторые микроорганизмы вызывают разрушение глинистых минералов, а мелкие животные, в частности дождевые черви, играют важную роль в переработке органических остатков и перемешивании их с минеральной частью почвы. Подавляющая часть процессов, протекающих в почве, так или иначе связана с участием в них живой фазы.
Элементарный состав органических остатков включает преимущественно углерод, водород, кислород и азот. Эти элементы входят в состав углеводов, лигнина, азотистых веществ, жиров, восков, смол, дубильных веществ, из которых состоят тела растительных и животных организмов. В них присутствуют и зольные вещества. Зольными называются вещества, остающиеся после сжигания растительных остатков. Основную массу золы составляют кальций, магний, калий, натрий, кремний, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец. В составе золы растений преобладают кальций, калий, кремний. Зольность древесных растений 4–6%, травянистых 10–12%, у некоторых мхов – 1–2%, а у галофитов может достигать 50%.
Зольные элементы входят в состав различных соединений. Например, калий в виде солей органических кислот – в состав клеточного сока, кальций входит в состав хлорофилла, а фосфор и сера – в состав белков.
Отмершие органические остатки, поступив на поверхность почвы или в почву, подвергаются различного рода превращениям, которые представляют собой совокупность процессов разложения: минерализации, микробного синтеза, гумификации.
Минерализация органических остатков – это совокупность явлений, лежащих в основе разложения органических веществ на более простые соединения, которые в дальнейшем способны распадаться вплоть до образования углекислоты и воды.
Микробный синтез – это синтез более сложных органических соединений из более простых в результате жизнедеятельности микроорганизмов.
Гумификация, согласно Л.Н. Александровой, – сложный биофизико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений – гумусовые кислоты.
В ходе гумификации часть промежуточных продуктов разложения органических веществ подвергается частичному окислению, полимеризации, уплотнению, соединению друг с другом.
Гумификация протекает при активном участии микроорганизмов. В результате гумификации в почве образуются совершенно новые гумусовые вещества, которых нет ни в исходных органических остатках, ни в продуктах микробного синтеза.
Скорость и характер гумификации, по мнению Л.Н.. Александровой, зависят от своеобразия биологического круговорота в пределах той или иной территории, почвенно-экологических условий: влажности и аэрации, реакции среды, окислительно-восстановительных условий, интенсивности микробиологической деятельности, качественного состава микроорганизмов, механического, минералогического, химического состава минеральной части почвы.
Гумусовые вещества – это система высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. Кислотная природа последних предопределяет взаимодействие их с почвой и их закрепление в ней. Гумусовые вещества (гумус) – это гетерогенная полидисперсная система, составные части которой характеризуются различной степенью гумификации, что определяет специфичность их свойств и возможность разделения на ряд фракций: гуминовые кислоты, фульвокислоты и негидролизуемый остаток, или гумин.
Гумусовые вещества составляют от 80 до 90% общего количества содержащего в почве органического вещества.
Интерес к гумусу уходит в далекое прошлое. В начале XIX столетия появилась теория гумусового питания растений, разработанная германским ученым Тэером, который отмечал «перегной – есть большая или меньшая часть почвы, и плодородие ее, в сущности, совершенно зависит от перегноя, ибо после воды он – единственное, что доставляет пищу растениям». Эта теория получила широкое распространение и активизировала изучение гумуса.
Генезис, плодородие почв во многом определяются качественным составом, величиной содержания гумуса.
Гуминовые кислоты (ГК) имеют непостоянный элементный состав, и он закономерно изменяется при переходе от северных лесных почв к южным степным. При этом уменьшается обводненность и понижается окисленность гуминовых кислот, повышается содержание углерода.
Элементный состав гуминовых кислот в процентах к массе варьирует в различных почвах: углерод – 52–62; водород – 3–4,5; азот – 3,5–4,5; кислород – 32–39 (Герасимов, 1965).
Содержание углерода лежит в основе дифференциации гуминовых кислот на две большие группы. В первую группу (серых или черных гуминовых кислот) входят ГК с содержанием углерода 40–42%, а во вторую (бурых) ГК с содержанием углерода 37–38%. Бурые гуминовые кислоты находятся в почве преимущественно в свободном состоянии, а черные ГК образуют соли с кальцием и магнием (гуматы кальция и магния). Бурые ГК называются еще ульминовыми кислотами. Они имеют менее конденсированное ядро и более подвижные. По химическому строению гуминовые кислоты представляют собой органические кислоты, то есть соединения, в состав которых входят карбоксильные группы (СООН), фенольные (ОН), спиртовые группы (ОН), а также метоксильные (ОСН3) и карбонильные (СО) группы. Ядра молекул ГК составляют бензольные кольца. Однозначной формулы гуминовых кислот пока нет.
Гуминовые кислоты имеют темный цвет – от темно-бурого до темно-коричневого. Они растворяются в едких щелочах и водных растворах аммиака, образуя растворы от вишнево-коричневой до черной окраски. ГК не растворяются в воде и минеральных кислотах. Со щелочными катионами – натрием, калием, аммонием, литием – гуминовые кислоты дают соли, легко растворяющиеся в воде. С двухвалентными катионами кальция, магния, бария и др., а также с трехвалентными катионами железа и алюминия ГК дают соли, не растворимые в воде.
Фульвокислоты (ФК), как и ГК, представляют высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты. Содержание углерода в ФК значительно ниже, а кислорода значительно выше, чем в ГК.
От гуминовых кислот они отличаются светлой окраской: ФК, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют светло-бурый цвет, а их растворы – от соломенно-желтого до оранжевого.
ФК характеризуются более высоким содержанием функциональных групп. ФК, в отличие от ГК, растворяются в кислотах, воде, характеризуются большей гидрофильностью и способностью к кислотному гидролизу.
Соли фульвокислот (фульваты) со щелочными и щелочноземельными катионами – натрием, калием, аммонием, магнием, кальцием – растворимы в воде. С алюминием и железом ФК дают соединения, не растворимые в воде при нейтральной реакции, но растворимые при кислой и щелочной реакции среды.
Гумины – комплекс гуминовых кислот и фульвокислот, очень прочно связанный с минеральной частью почвы.
И.В. Тюрин внес в практику почвенных исследований определение группового и фракционного состава гумуса. Как отмечает Д.Е. Орлов (1985), количественное соотношение гуминовых кислот и фульвокислот характеризует групповой сосав гумуса. Количественной мерой (показателем) типа гумуса является отношение содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот – Сгк:Сфк. В зависимости от величины этого отношения различают четыре типа гумуса:
гуматный | Сгк:Сфк больше 2; | фульватно-гуматный | Сгк:Сфк =1–2; | гуматно-фульватный | Сгк:Сфк =0,5–1; | фульватный | Сгк:Сфк меньше 0,5. |
Фракционный состав ГК характеризуется набором следующих фракций:
Фракция 1 – растворимая в непосредственной 0,1н щелочной вытяжке; это свободные и связанные с подвижными полуторными окислами ГК.
Фракция 2 – растворимая в 0,1н щелочной вытяжке только после декальцирования; это ГК, связанные преимущественно с кальцием.
Фракция 3 – растворимая в 0,2н щелочной вытяжке при нагревании; это ГК, связанные с устойчивыми полуторными окислами и глинистыми минералами.
Во фракционном составе ФК выделяются:
Фракция 1а – растворимая в 0,1н серной кислоте; это ФК свободные и связанные с подвижными полуторными окислами.
Фракция 1 – растворимая непосредственно в 0,1н щелочной вытяжке; это ФК, связанные с фракцией 1 гуминовых кислот.
Фракция 2 – растворимая в 0,1н щелочной вытяжке после декальцирования; это ФК, связанные с фракцией 2 гуминовых кислот.
Фракция 3 – растворимая в 0,2н щелочной вытяжке при нагревании; это ФК, связанная в почве с фракцией 3 гуминовых кислот.
Групповой и фракционный состав гумуса закономерно изменяется в зональном ряду почв. Так, в почвах тайги отношение Сгк:Сфк варьирует от 0,3 до 0,6; в серых лесных почвах, черноземах лесостепной зоны это отношение возрастает соответственно от 0,9–1 до 2,5; а южнее черноземов вновь сужается в связи с увеличением содержания фульвокислот.
Групповой и фракционный состав гумуса в различных типах почв закономерно изменяется по профилю почв. Чаще всего в большинстве почв с глубиной нарастает доля фульвокислот, а соответственно отношение Сгк:Сфк снижается до 0,1–0,3.
С содержанием гумуса тесно взаимосвязаны содержание питательных элементов в почве и прежде всего азота, состояние структуры, а также гидротермический режим почв, их генезис.
Содержание гумуса является одним из диагностических показателей качества почвы – ее бонитета.
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы
1. Дайте характеристику состава органических остатков.
2. Приведите определение процессов разложения органического вещества – минерализации, микробного синтеза, гумификации.
3. Рассмотрите состав и свойства гуминовых кислот.
4. Охарактеризуйте состав и свойства фульвокислот.
5. Назовите типы гумуса и их диагностические показатели.
6. Какова роль гумуса в плодородии почв?
|
