Состав органической части почвы

В зависимости от условий скорость разложения органических остатков может быть разной, поэтому и количество накапливаю­щегося в почве гумуса также будет неодинаковым. Химический состав органического вещества почвы весьма сложен. В нем мож­но выделить четыре группы соединений, различающихся по про­исхождению:

гумусовые вещества, представляющие собой наиболее харак­терную и специфическую часть органического вещества почвы;

соединения, возникшие в процессе микробного синтеза и вхо­дящие в состав живых, а также мертвых, но еще не разложившихся микроорганизмов; органические соединения, входящие в состав неразложившихся растительных и животных остатков. Их особенно много в лес­ных подстилках и торфах;

промежуточные продукты разложения соединений, входящих в две предшествующие группы.

Гумусовые вещества обычно составляют от 80 до 90 % общего количества содержащегося в почве органического вещества.

Среди гумусовых веществ различают три главные группы со­единений: гуминовые кислоты; фульвокислоты; гумин и ульмин (гумусовые угли). Каждая группа объединяет близкие по составу, строению и свойствам соединения. Все гумусовые вещества явля­ются высокомолекулярными соединениями циклического строе­ния, содержащими азот, и имеют кислотную природу.

Гуминовые кислоты. Они изучены лучше других. Их элемент­ный состав и структура непостоянны. Содержание углерода в гуминовых кислотах 52—58%, водорода 3,3—4,8, азота 3,6—4,1 и кислорода 34—39 %. При переходе от северных лесных почв к южным степным уменьшается гидратация, понижается окисленность гуминовых кислот и повышается содержание углерода.

Постоянным компонентом гуминовых кислот является азот; Часть его представлена аминокислотами, находящимися в не­прочной связи с ядром гуминовой кислоты. Другая часть связана с ядром прочно. Наличие в составе гуминовых кислот прочно свя­занного азота свидетельствует о том, что эти кислоты являются продуктами конденсации полифенов, источником которых служат дубильные вещества и лигнин с аминокислотами.

В группе гуминовых кислот выделяют бурые гуминовые кисло­ты, находящиеся в почве преимущественно в свободном состоя­нии, и черные, которые образуют соли с кальцием и магнием. Бу­рые гуминовые кислоты называют еще ульминовыми. Они имеют менее конденсированное ядро и более подвижны.

По химическому строению гуминовые кислоты представляют собой настоящие органические кислоты, т. е. соединения, в со­став которых входят карбоксильные группы (СООН). Таких групп в молекуле гуминовых кислот четыре, т. е. эти кислоты яв­ляются четырехосновными. Молекулярная масса их около 1400. Кроме карбоксильных гуминовые кислоты имеют три—шесть фенольных групп (ОН), первичные и вторичные спиртовые группы (ОН), а также метоксильные (ОСНз) и карбонильные (СО) группы. В состав ядра молекул гуминовых кислот входят бензольные кольца.

Гуминовые кислоты в свободном виде представляют собой черный блестящий порошок игольчатого или зернистого строе­ния. При обработке водой они дают слабые коллоидные раство­ри буроватого цвета. Со щелочными катионами — натрием, ка­мнем, аммонием, литием гуминовые кислоты дают соли, малора-гшоримые в воде с образованием молекулярных растворов. Такие растворы в тонком слое прозрачны, бурого цвета, а в толстом слое непрозрачны и черного цвета. С двухвалентными катионами кальция, бария, магния и другими, а также с трехвалентными ка­тионами железа и алюминия гуминовые кислоты дают соли, нера­створимые в воде.

Фульвокислоты. По данным Н. И. Тюрина и В. В. Пономаре­вой, они представляют собой настоящие органические кислоты, относящиеся к группе оксикарбоновых кислот, содержат азот. Элементный состав фульвокислот подзолистой почвы, по данным В. В. Пономаревой, следующий: углерода 45,3 %, водорода 5, кис­лорода 47,3, азота 2,4 %. Таким образом, содержание углерода и азота в фульвокислотах значительно ниже, а кислорода значитель­но выше, чем в гуминовых кислотах. Они имеют те же функцио­нальные группы (карбоксильные, фенольные и др.), что и гумино­вые кислоты, но ядро фульвокислот отличается менее выражен­ным ароматическим строением, а боковых радикалов у них боль­ше, чем у гуминовых кислот. Они менее конденсированы и имеют более простое строение.

Фульвокислоты способны разрушать минералы, образовывать комплексные и внутрикомплексные соединения с гидроксидами и играют существенную роль в подзолообразовании. Экви­валентная масса фульвокислот равна 160, т. е. вдвое ниже, чем у гуминовых кислот. Свободные фульвокислоты имеют коллоид­ный характер. Степень диссоциации фульвокислот значительно выше, чем у гуминовых кислот. Соли фульвокислот со щелоч­ными и щелочноземельными металлами растворимы в воде. С алюминием и железом фульвокислоты дают соединения, нера­створимые в воде при нейтральной реакции, но растворяющие­ся при кислой или щелочной реакции раствора. В почве фуль­вокислоты, видимо, связаны с гуминовыми кислотами, образуя с ними соединения типа сложных эфиров. В гумусово-иллюви-альных горизонтах некоторых подзолистых почв фульвокислота закреплена в форме соединений с железом и особенно с алюми­нием.

Гумин и ульмин. Изучены наиболее слабо. Они являются са­мой инертной частью почвенного гумуса, не переходящего в ра­створ при обычных методах воздействия (слабые растворы угле­кислых или едких щелочей). Гумин представляет собой слож­ный комплекс, в состав которого входят гуминовые и фульво­кислоты, соединенные по типу сложных эфиров. Значительная инертность гумина и ульмина объясняется их прочной связью с минеральной частью почвы, особенно с частицами глинных ми­нералов, а также, возможно, высокой степенью уплотнения (конденсации). Кроме того, в эту же фракцию органического вещества могут входить некоторые наиболее стойкие соедине­ния исходных растительных остатков, например суберин, кутины, спорополенины.

В состав почвенного гумуса могут входить битумы. Они пред­ставляют собой совокупность жиров, высокомолекулярных жир­ных кислот, восков и смол. Битумы растворимы в спирте, бензоле и других органических растворителях. Содержание их в почвен­ном гумусе 2—4 % общего количества гумуса и только в заболо­ченных почвах повышается до 10—20 %.

В состав органического вещества почвы входят некоторые дру­гие соединения растительного, животного и микробного проис­хождения.

Из этих соединений значение имеют лигнины, гемицеллюлозы, азотные вещества — белки. В весьма малом количестве могут содержаться низкомолекулярные продукты распада: сахара, жир­ные кислоты, аминокислоты и др. Однако суммарное содержание всех этих соединений обычно не превышает 20 % общего содержа­ния гумуса. Итак, образование гумуса представляет собой сово­купность ряда биологических процессов — распада исходных органических соединений и синтеза новых, высокомолекулярных гумусовых соединений. Оба эти процесса идут непрерывно, в не­посредственном взаимодействии друг с другом и в тесной зависи­мости от окружающих условий.

Важнейшее качество гумуса — его коллоидность. Коллоидные, поверхностно-активные вещества обладают комплексными (анионно-катионными) мицеллами с явным преобладанием анионных ацидоидных свойств. Именно коллоидностью объясняется важная роль гумуса в почвоведении и земледелии. Коллоидные поверхно­стно-активные вещества гумуса проявляют высокую активность даже при предельно малой толщине адсорбционных слоев. Не­большие добавки гумусовых веществ к почвообразующей породе делают ее отличающейся от чистой породы рядом новых свойств, в том числе плодородием.

Коллоидные поверхностно-активные вещества способны ра­створять органические соединения, нерастворимые или малора­створимые в воде. При этом растворение неполярных углеводоро­дов происходит полностью во внутренней части мицелл, а поляр­ные вещества типа октанола, длинноцепочечных аминов и фено­лов располагаются внутри мицеллы так, что их углеводородные цепи направлены в ядро мицеллы, а полярные группы — в водную фазу.

Некоторые растворимые полярные вещества, такие, как глице­рин, сахара, и другие нерастворимые в углеводородах соединения склонны к адсорбции на внешней поверхности мицелл.

Все это приводит к образованию чрезвычайно сложных по хи­мическому составу мицелл гумусовых веществ, на поверхности ко­торых располагается большое количество ионогенных (функцио­нальных) групп. Среди них преобладают карбоксильные, фенол-гидроксильные и аминогруппы, которые и обусловливают извест­ные свойства гумусовых веществ почв.

5 .4. Гумусовое состояние почв

В различных природных условиях характер и скорость гумусо-образования (разложение и гумификация органических остатков) неодинаковы и зависят от ряда взаимосвязанных условий почво­образования. Главнейшими из них являются водно-воздушный и тепловой режимы почв, состав и характер поступления раститель­ных остатков, видовой состав и интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов, гранулометрический состав и физико-химичес­кие свойства почвы.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразование протекает в аэробных или анаэробных условиях.

В аэробных условиях, т. е. при достаточном количестве влаги (60—80 % полной влагоемкости), а также при благоприятной температуре (25—30 °С) процесс разложения органических ос­татков развивается усиленно. В этих же условиях интенсивно идет минерализация как промежуточных продуктов разложе­ния, так и гумусовых веществ. В почве накапливается относи­тельно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений.

При постоянном и резком недостатке влаги в почве запасается мало растительных остатков, процессы разложения и гумифика­ции замедляются, и гумуса накапливается немного.

В анаэробных условиях, т. е. при постоянном избытке влаги, а также при низких температурах процесс гумусообразования за­медляется.

Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве оптимального гидротермического и водно-воздушного ре­жимов и периодически повторяющиеся иссушения. В таких усло­виях происходят постоянное разложение органических остатков, достаточно энергичное гумусирование их и закрепление образую­щихся гумусовых веществ минеральной частью почвы. Такой ре­жим характерен для черноземов.

Наибольший запас гумуса отмечается в мощных тучных черно­земах, где количество корневых остатков очень велико, а период быстрого разложения ограничивается весной. По мере продвиже­ния от полосы мощных черноземов к югу и северу запасы гумуса в почве снижаются, что объясняется главным образом изменением климатических условий и характера растительности.

В торфяниках также наблюдаются значительные запасы орга­нического вещества и его консервация как результат постоянного избыточного увлажнения.

Основные факторы эффективного гумусообразования в пахот­ных почвах: отвальная обработка (вспашка), которая обеспечивает анаэробные условия для разложения растительных остатков, их гумификации, а также преимущественное возделывание луговой растительной формации (многолетних трав).

Эти положения многие десятилетия являлись теоретической основой обработки почвы и управления гумусообразованием.

Однако исследования Н. И. Картамышева показали, что корне­вая система однолетних растений подвергается процессу полного аэробного разложения, если после их уборки почва в условиях не­достатка влаги длительное время не обрабатывается. Если же на по­верхности почвы сразу после уборки однолетних растений создать мульчирующий слой, то процессы полного разложения не происхо­дят. Следовательно, процесс гумусообразования в пахотных почвах определяется в значительной степени способом обработки почвы.

По данным Г. Д. Курчевой, Е. Н. Мишустина, процесс гумусо­образования активно происходит и в аэробных условиях в самых верхних (0—5 см) слоях почвы под действием почвенных беспоз­воночных животных. Условия для этого создает мелкая мульчиру­ющая обработка почвы.