Структура органического вещества. Состав и свойства гумуса

Всю совокупность органических соединений углерода, присутствующих в почве, называют органическим веществом. Это органические остатки (ткани растений и животных, частично сохранившие исходное анатомическое строение), продукты трансформации и распада, органические соединения специфической и неспецифической природы .

Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов.

Набор органических веществ в почве очень велик. Содержание отдельных соединений меняется от целых процентов до следовых количеств. Однако ни перечень соединений, ни их соотношение в разных почвах нельзя считать случайными.

Состав органической части почвы закономерно обусловлен факторами почвообразования. По мнению В.М.Пономаревой (1964), типы почвообразования являются синонимами общего цикла превращения органических остатков растений (типов гумусообразования). Остановимся на характеристике органических соединений неспецифической и специфической природы.

Неспецифические органические соединения – это соединения, синтезируемые живыми организмами и поступающие в почву после их отмирания. Значит, источником неспецифических соединений служат растительные и животные остатки. Химический состав различных органических остатков имеет общие черты. Преобладают углеводы, лигнин, белки, липиды.

Углеводы являются важнейшим источником углерода и энергии для почвенных микроорганизмов, стимулируют развитие корневых систем.

Они представлены следующими соединениями:

Моносахариды – содержатся в микроколичествах (от десятых долей до единиц процентов состава растений) и быстро утилизируются микроорганизмами;

Олигосахариды (сахароза, лактоза) – до 5-7% состава растений, трансформируются медленно;

Полисахариды (целлюлоза – до 40%, крахмал – единицы процентов, пектиновые вещества – до 10% и др.) – наиболее устойчивы к разложению.

По данным Л.А.Гришиной (1986), запасы моно- и олигосахаридов в надземной массе фитоценозов тундры составляют 9-50г/м2, хвойных лесов -500-1000, степей – 11-17 г/м2. Запасы целлюлозы в тундровых сообществах достигают 26-119 г/м2, хвойных лесах -8,5 – 9,5, разнотравно-злаковых лугах -115, зерновых агроценозах -75-100 г/м2. Моно- и олигосахаридов в корнях тундровых сообществ накапливается больше, чем в надземной массе. В корнях травянистых растений степей их примерно столько же, сколько в надземных органах. Наибольшее количество целлюлозы отмечается в корнях хвойных лесов (более 2,5 кг/м2).

Белки, полипептиды, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и их производные, хлорофилл, амины – важнейшие неспецифические азотсодержащие вещества. Белки составляют 90% этой группы веществ и имеют следующее значение:

1. Потребляются микроорганизмами;
2. Подвергаются быстрому разложению до пептидов или аминокислот;
3. Минерализуются до воды и аммиака;
4. Совместно с пептидами и аминокислотами входят в состав гуминовых веществ.

Специфические органические соединения углерода представлены гумусовыми кислотами (гуминовые и фульвокислоты), прогуминовыми веществами и гумином. Прогуминовые вещества – «молодые» гуминоподобные продукты распада органических остатков слабо изучены. Гумин – нерастворимые органические соединения, прочно связанные с минеральной частью почвы. Изучены недостаточно, но имеют значение в формировании структурных агрегатов почвы.

Подробнее остановимся на характеристике гумусовых кислот, поскольку их формирование, количество и состав определяются экологическими условиями почвообразования.

Атомы углерода в гуминовых кислотах составляют 36-43% от общего числа атомов в молекуле. Это свидетельствует о значительной замещенности ароматических колец иразвитии боковых алифатических цепей. Фульвокислоты содержат значительно меньше углерода.

В зональном ряду почв отмечается увеличение содержания углерода в гуминовых кислотах черноземов. В подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных и буроземах формируются наименее обуглероженные гуминовые кислоты. В фульвокислотах черноземов, каштановых почв наблюдается уменьшение содержания углерода, а у подзолистых почв и красноземов – увеличение. Пониженную обуглероженность фульвокислот черноземов и повышенную дерново-подзолистых почв Д.С.Орлов объясняет особенностями микробиологической деятельности этих почв.

Высокая биологическая активность черноземов способствует отщеплению боковых цепей от молекул гуминовых кислот (обуглироживанию) и накоплению наиболее устойчивых продуктов. Фульвокислоты, являясь доступной для микробов группой почвенного гумуса, быстро используются микроорганизмами и обновляются. В результате доля фульвокислот в составе гумуса снижается, а сами фульвокислоты, будучи молодыми, оказываются менее обуглероженными. В подзолистых почвах фульвокислоты накапливаются в больших количествах и в более сложных формах, обогащенных углеродом.

Этому благоприятствуют условия для их сохранения, поскольку при пониженной биологической активности гуминовые кислоты отличаются хорошо выраженными периферическими и алифатическими цепями и легко используются микроорганизмами.

Таким образом, процессы трансформации органического вещества обусловливают в черноземах резкую дифференциацию гумусовых кислот, а в подзолистых и дерново-подзолистых почвах – относительное сближение состава гуминовых и фульвокислот.

По степени подвижности выделяют две фракции органического вещества: легкоминерализуемая (ЛМОВ) и стабильная (Сстаб. гумус). ЛМОВ служит одновременно источником синтеза гумуса и источником формирования минерализационного потока углерода в атмосферу; рассматривается как сумма лабильного (ЛОВ) и подвижного (ПОВ) органического вещества.

Компонентами ЛОВ являются растительные и животные остатки, микробная биомасса, корневые выделения; ПОВ – органические продукты растительных остатков и гумуса, легко переходящие в растворимую форму. Стабильный гумус – устойчивое к разложению органическое вещество.

Разделение органического вещества по степени подвижности необходимо не только для изучения теоретических вопросов, но и практики земледелия. Дефицит легкоминерализуемого органического вещества в почвах определяет ухудшение питательного режима и структурного состояния почв. Поэтому задача земледельца заключается в поддержании в почве определенного количества легкоминерализуемого органического вещества.

В.В.Чупровой (1997), установлено, что запашка 8 т/га пожнивно-корневых остатков люцерны или 12т/га фитомассы донникового сидерата в пахотный слой выщелоченного чернозема обеспечивает положительный баланс углерода и азота в почве и существенную прибавку урожайности культур в севообороте.

Следовательно, увеличивая и поддерживая на определенном уровне количество легкоминерализуемых веществ, можно повышать потенциал почвенного плодородия, в том числе и эффективного.