ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ

Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы — гумуса (от латинского «гумус» – земля, почва).

Почвы содержат неорганические и органические вещества, в них всегда присутствуют какое-то количество остатков отмерших организмов, находящихся на разных стадиях разложения, живые клетки микроорганизмов, почвенная фауна и гумус (рис. 1).

Рисунок 1. Перечень органических веществ почвы.

Органическое вещество почвы – гумус или гуминовые вещества (ГВ) – разделяют на три группы соединений: гуминовые (гумусовые) кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК ) и гумин (Г). ГВ имеют в зависимости от состава серый, бурый и черный цвета.

Классификация ГВ основана на различии в их растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три основные составляющие: гумин – неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) – растворимы в щелочах и нерастворимы в кислотах; фульвокислоты (ФК) – растворимы в щелочах и кислотах. Под термином «гумусовые кислоты» понимают сумму гуминовых кислот и фульвокислот (ГФК).

Гуминовые вещества составляют от 60 до 85% органического вещества водных и почвенных сред. Количественно средний состав органического вещества в почве отображён на рис. 2.

Рисунок 2. Состав органического вещества почвы (по Д.Шредеру, 1978, с дополнениями): в составе гумуса: 1– гумин; 2 – неспецифические вещества; 3 –фульвокислоты; 4 – гуминовые кислоты

1. Источники почвенного гумуса и гумификация

Потенциальными источниками органического вещества почв можно считать все компоненты биоценоза, которые попадают на поверхность почв или в толщу почвенного профиля и участвуют в процессах почвообразования.

Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. В абсолютном большинстве наземных биоценозов зеленые растения (автотрофы) имеют наибольшую биомассу и годичный прирост (первичную продукцию), превышающую биомассу беспозвоночных животных и микроорганизмов на один-два порядка, а позвоночных животных – на три порядка. Поэтому надземный и корневой опад и продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого формируется органическое вещество почв.

Запасы фитомассы в различных ландшафтах тундровой зоны изменяются от 150 до 2500 г/м², причем корневая масса превышает надземную в 3–4 раза Биомасса микроорганизмов составляет 10 –15 г/м², почвенных беспозвоночных животных – 1– 3, а наземных позвоночных животных – около 0,01 г/м²

В таежно-лесной зоне запасы фитомассы полновозрастных высокобонитетных лесов возрастают до 25–40 тыс. г/м², причем корневая масса меньше надземной в 3–5 раз. Биомасса микроорганизмов в лесных почвах доходит до 30 г/м² ; среди них доминируют грибы. Биомасса беспозвоночных животных в подзолистых почвах составляет 2–3 г/м², в дерново-подзолистых – 7–12 г/м², в серых лесных почвах достигает 90 г/м².

Травянистая растительность степной зоны накапливает меньшую, чем леса, фитомассу, от 1200 до 2500 г/м², причем корневая масса превышает надземную в 3–6 раз. Микрофлора степных почв имеет более разнообразный видовой состав: доля грибов снижается, возрастает численность спорообразующих бактерий и актиномицетов. Количество беспозвоночных животных также несколько снижается, до 12–16 г/м², среди них доминируют по биомассе дождевые черви. Беспозвоночные животные в степной зоне составляют 98% от общей зоомассы.

В пустынной зоне запасы фитомассы резко уменьшаются, причем доля корней в ее составе возрастает и соотношение надземной и подземной массы становится 1/8–1/9. Уменьшается общий уровень и биологической активности почв. Однако в короткие периоды поступления влаги биологическая активность почв может быть высокой.

Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы новообразования гумуса. В формировании молекул гумусовых кислот принимают участие любые структурные химические единицы органического вещества, освобождающиеся в процессе трансформации отпада и опада.

В биогеоценозах разных природных зон неодинаковые запасы и состав фитомассы определяют различия в поступлении в почву белков, углеводов, липидов и лигнина (рис. 3).

Процесс образования белка из аминокислот

Углеводы

Липиды

Лигнин

Рисунок 3. Химические структурные формулы белков, углеводов, липидов, лигнинов.

Гумификация – совокупность сложных биохимических, физико-химических и химических процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества.

Образование гуминовых веществ – это второй по масштабности процесс превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·10⁹ т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·10⁹ т углерода. Часть отмерших остатков минерализуется до СO₂ и Н₂O, остальное превращается в гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается 0,6–2,5·10⁹ т углерода.

Степень изученности процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества не позволяет оформить в законченном виде теорию этого процесса. Существуют следующие три группы современных концепций процесса гумификации.

Конденсационная или полимеризационная концепция (Трусов, Кононова, Фляйг) рассматривает гумификацию как процесс, состоящий из следующих стадий:

а) образование исходных структурных единиц – низкомолекулярных продуктов распада растительных тканей, отмерших микроорганизмов.

б) конденсация структурных единиц, осуществляемая путем окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз до хинонов, и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами;

в) поликонденсация (полимеризация) – химический процесс, характеризующий заключительная стадия процесса гумификации.

Концепция биохимического окисления (Тюрин, Александрова) рассматривает гумификацию как сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов распада органических остатков (белков, лигнина, полиуглеводов, дубильных веществ и др.) в гумусовые вещества. Главное значение в этом процессе придают реакциям медленного ферментативного окисления, в результате которого и образуются высокомолекулярные гумусовые кислоты. В последующем они подвергаются постепенной ароматизации, т.е. возрастанию в их молекулах доли ароматических фрагментов.

Взаимодействие гумусовых кислот с минеральными соединениями почвы и зольными продуктами минерализации органических остатков рассматривают как составное звено гумификации.

Биологическая концепция рассматривает гумусовые вещества как продукты синтеза различных микроорганизмов (Вильямс). Микробиологами экспериментально доказана возможность образования темноокрашенных гумусоподобных соединений различными группами микроорганизмов.

Можно предположить, что процесс гумификации в различных почвах включает как реакции конденсации и полимеризации, так и биохимического окисления.

Состав уже сформировавшихся гумусовых веществ постоянно обновляется за счет включения в их молекулы органических соединений в виде отдельных фрагментов. Такой процесс изменения гумусовых веществ называется фрагментарным обновлением гумуса.

Наиболее устойчивы в процессах гумификации лигнины. Высокое содержание полифенолов способствует образованию ГК, обогащенных азотом. Общие представления о процессах, сопровождающих гумусообразование в почве приведены на рис. 4

Количественной характеристикой процесса гумификации является коэффициент гумификации (К_г), показывающий, какая доля (в %) атомов углерода органических остатков, трансформировалась в гумусовые вещества после полного разложения остатков. Величина К_г колеблется от единиц до десятков процентов и зависит от состава исходных растительных остатков, гидротермических, физико-химических (рН, Eh) и других условий их превращения. Например, К_г соломистого навоза в среднем принят за 25 %.

Рисунок 4. Общее представление о процессах гумификации

12 3

Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 3271;