Органические и органо-минеральные вещества почв

Органические вещества твердой части почвы подразделяются на две большие группы: негумифицированные и гумифицированные вещества.

Негумифицированные (подвижные) органические вещества – это отмершие, но еще не разложившиеся или полуразложившиеся остатки растений (корни) и микробов (животных). На площади 1 га в почву ежегодно поступает 5-10 т растительных остатков и 0,7-2,4 т продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Негумифицированные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества не полностью минерализуются. Одновременно в почве идет синтез новых очень сложных органических веществ, которые служат источником для образования гумусовых, или перегнойных, веществ.

Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомолекулярные азотсодержащие соединения специфической природы. Они составляют основную часть (90%) органического вещества почвы.

Почвенный гумус состоит из следующих основных групп органических веществ: гуминовые кислоты; фульвокислоты; гумины; органо-минеральные производные гумусовых кислот.

Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи. Эти кислоты практически нерастворимы в воде и минеральных кислотах, но хорошо растворимы в щелочах, аммиаке, соде, пирофосфате натрия с образованием коллоидных растворов темной окраски (от вишневой до темно-коричневой и черной). Из растворов эти кислоты хорошо осаждаются водородом минеральных кислот, солями алюминия, железа, кальция, магния в виде аморфного студнеобразного осадка.

Молекулярная масса гуминовых кислот измеряется десятками тысяч атомных единиц массы. Элементарный состав гуминовых кислот в процентах составляет: С – 50-62, Н – 2,8-6,6, О – 31-40, N − 2-6. Содержание углерода в составе гуминовых кислот максимально в черноземах, а от них уменьшается в сторону более гумидных и более аридных почв.

Химическими и физико-химическими методами установлено, что основными структурными единицами гуминовых кислот являются ароматические «ядра», в том числе азотсодержащие ароматические гетероциклы (бензол, фуран, пиридин, индол и др.). Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через углерод (–С–С–, –С=С–) или мостиками (–О–, –N–, – H–, –СH₂–) в рыхлую сетку. Степень уплотненности ароматических компонентов нарастает в процессе гумификации и по мере зрелости ГК, что ведет к уменьшению их подвижности. Периферию молекул ГК составляют цепи боковых радикалов, как правило, неароматического строения, в состав которых входят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты. Рыхлое «губчатое» строение молекул ГК, наличие множества пор обусловливает их способность к набуханию и адсорбции.

Важной частью молекулы ГК являются функциональные группы: карбоксильные (-СООН), гидроксильные (-OH), метоксильные (-СН₃), кабонильные (С=О), амидные (-NH₂). Кислотные свойства, емкость поглощения, способность образовывать органоминеральные соединения обусловлены наличием этих функциональных групп. Емкость поглощения возрастает в условиях щелочной среды за счет ионов водорода фенольных гидроксилов.

Ароматические и гетероциклические компоненты ГК составляют 50-60%, углеводные компоненты – 25-30%, функциональные группы – 10-25%.

При взаимодействии с катионами аммония, щелочных и щелочноземельных металлов гуминовые кислоты образуют соли – гуматы. Гуматы обладают различными свойствами. Соли аммония, натрия и калия хорошо растворимы в воде. Они легко мигрируют по почвенному профилю с током атмосферных осадков. Гуматы калия и магния нерастворимы в воде и образуют в почве водопрочные гели, за счет клеящей и цементирующей способности которых формируется водопрочная структура почвы. Основная масса гуминовых кислот представлена гелями, прочно связанными с минеральной частью почвы.

Фульвокислоты – гумусовые вещества желтой или красноватой окраски, которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из почвы и выпадения в осадок гуминовых кислот. Как и гуминовые кислоты, они входят в гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот. От гуминовых кислот отличаются светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в кислотах, большой гидрофильностью и способностью к кислотному гидролизу. Элементарный состав ФК в процентах составляет: С – 41-46, Н – 4-5, О – 40-48, N- 3-4. Содержание кислорода зависит от количества углерода, его больше, чем в ГК.

В структуре фульво-, как и гуминовых кислот, установлены ароматические и алифатические группы. Однако ароматическая часть в их молекулах выражена менее ярко и в основном преобладают боковые цепи, т.е. алифатические, углеводные и аминокислотные компоненты. Лучшая выраженность периферических структур в молекуле ФК обусловливает большую их гидрофильность по сравнению с ГК. По составу фульвокислоты различных типов почв менее разнообразны.

Фульвокислоты имеют сильнокислую реакцию и хорошо растворимы в воде. Благодаря этому они энергично разрушают минеральную часть почвы, причем степень их разрушительного действия определяется уровнем содержания гуминовых кислот. Гуминовые кислоты как бы ингибируют агрессивность фульвокислот.

Гумин. Часть гумусовых веществ настолько прочно связана с минеральной частью почвы, что, не извлекается при обработке почвы щелочами и кислотами. Эти «нерастворимые» составляющие гумуса называются гуминами. Также к нему относят трудноразлагаемые компоненты остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц В тяжелых глинистых почвах нерастворимые образования составляют более 50% гумуса.

Органоминеральные производные гумусовых кислот. Органические вещества активно взаимодействуют с минеральной частью почвы. По характеру взаимодействия можно выделить 3 группы органоминеральных соединений.

Первую группу составляют соли органических неспецифических кислот (щавелевая, муравьиная, лимонная, уксусная и др.) и гумусовых специфических кислот с катионами щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования гуматов заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот, способных к обменным реакциям в условиях данной реакции почв и катионами.

Вторую группу образуют комплексные соли, которые синтезируются при взаимодействии неспецифических органических кислот и гумусовых кислот с поливалентными металлами (железом, алюминием, медью, цинком, никелем). Металл в комплексных солях входит в состав анионной части молекул и не способен к обменным реакциям. Полученные соединения называют комплексно-гетерополярными солями.

Третью группу составляют адсорбционные органоминеральные соединения: алюмо- и железогумусовые комплексы, глинисто-гумусовые комплексы.

Алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы. Гумусовые кислоты могут сорбироваться гелями полуторных оксидов, образующих в почвах пленки, конкреции. С другой стороны, гели гуминовых кислот могут адсорбировать на своей поверхности золи полуторных оксидов. Золи полуторных оксидов и золи гумусовых кислот могут выпадать в осадок, коагулироваться в процессе взаимодействия.

Глинисто-гумусовые комплексы. Минеральная часть почвы имеет огромную суммарную поверхность, на которой протекают многие адсорбционные процессы. Взаимодействие гумусовых кислот с обменными катионами Са и Мg глинистых минералов носит обменный характер. Образующийся вновь гумат не связан с кристаллической решеткой минералов, а лишь выпадает в осадок на ее поверхности. Глинисто-гумусовые комплексы образуются не через главные валентности, а в процессе склеивания (адгезии) поверхностей при дегидратации компонентов. Процесс склеивания осуществляется за счет межмолекулярных сил.

Образование органоминеральных соединений может сопровождаться их миграцией в почвенном профиле или аккумуляцией на месте образования. Гуматы щелочных металлов и алюминия хорошо растворимы в воде и легко передвигаются в почвенном профиле. Гуматы кальция плохо растворимы, гуматы магния более подвижны и могут передвигаться по профилю в форме гидратированного золя. Фульваты щелочных и щелочноземельных оснований хорошо растворимы в воде и могут легко мигрировать по профилю. Гумусовые кислоты при взаимодействии с гидроксидами железа и алюминия способны частично переводить их в раствор в форме комплексных золей.

В зависимости от гидротермического режима, минералогического состава почв прочность связи гумусовых кислот с минералами меняется. Процесс дегидратации, обогащенность почв солями кальция и минералами группы монтмориллонита способствует образованию устойчивых малоподвижных органоминеральных соединений. Повышенное увлажнение или обогащенность почв солями щелочных металлов (особенно карбонатами натрия) ведет к пептизации органоминеральных соединений и повышает их мобильность в почвенном профиле.

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 в несколько десятков или сотен раз, а позвоночных животных в несколько тысяч раз. Поэтому надземный и корневой опад и продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого формируется органическое вещество почв. Однако специфический химический состав животных и микроорганизмов, высокое содержание в них белков определяют заметную их роль в обогащении органического вещества почв азотсодержащими компонентами

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, в дерново-подзолистых – 7-12, 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.

Химический состав поступающих в почву органических веществ. Химический состав поступающих в почву органических остатков во многом зависит от типа отмерших растений. В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры воски, смолы, липиды, дубильные вещества и многие другие соединения. Помимо органических соединений органические остатки содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, хлор. Микроэлементы встречаются в весьма малых количествах. Это бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, медь и др.

Трансформация органических остатков в почве. Трансформация органических остатков в почве – сложный, многоступенчатый процесс. Органические остатки, попадая в почву, разлагаются при непосредственном участии микроорганизмов. Этому способствует огромная населенность почв микрофлорой. Населяющие почву животные тоже способствуют превращению органических остатков. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, перерабатывают. В процессе разложения растительные остатки теряют свое анатомическое строение, животные ткани и отмершие клетки микроорганизмов также подвергаются разложению и используются в качестве питательного материала новыми поколениями микроорганизмов.

При разложении растительных остатков их органические вещества превращаются в более подвижные и простые соединения (промежуточные продукты разложения) Часть этих соединений полностью минерализуется микроорганизмами, то есть разлагается до элементов минерального питания, углекислого газа и воды. Продукты распада используются новыми поколениями зеленых растений как источник питания.

Часть промежуточных продуктов разложения органических остатков потребляет другая группа микроорганизмов для построения вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов.

Еще часть промежуточных продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные соединения – гумусовые вещества. Этот процесс носит название гумификации.

Процессы разложения и минерализации растительных остатков осуществляются при участии окислительных ферментов, выделяемых микроорганизмами. При участии ферментов происходит гидролитическое расщепление сложных молекул белков, углеводов, липидов с образованием промежуточных продуктов разложения.

Так, белки расщепляются на пептиды, а затем на аминокислоты, углеводы – на простые сахара и органические кислоты (уксусную, янтарную и др.), спирты. Дубильные вещества относительно устойчивы к разложению микроорганизмами, вступая во взаимодействие с белковыми веществами, образуют сложный нерастворимый комплекс. Таким образом они закрепляют в почве белковые соединения. Жиры разлагаются до глицерина и жирных кислот, а при более глубоком разложении – до поли- и моносахаров.

При недостатке кислорода развиваются различные типы брожений и образуются недоокисленные продукты (метан, спирт, органические кислоты).

Скорость разложения и минерализация различных соединений неодинакова. Сравнительно быстро разлагаются растворимые сахара, крахмал, белки; несколько медленнее – целлюлоза и гемицеллюлоза, а наиболее устойчивы к разложению лигнин, воски, смолы, дубильные вещества.

Одновременно с процессами разложения органических веществ идут процессы гумификации, в результате чего образуются относительно устойчивые к разложению гумусовые вещества.

Процесс гумификации настолько сложен, что современная наука не выработала единых взглядов на его характер. Существуют несколько концепций, с той степенью достоверности объясняющих образование гумуса.

Конденсационную (полимеризационную) концепцию разрабатывали в разные годы А.Г.Трусов, М.М.Кононова, В.Фляйг. В соответствии с этой концепцией формирование гумусовых веществ рассматривается как процесс постепенной поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ.

Концепция биохимического окисления предложена И.В.Тюриным, она получила развитие в работах Л.Н.Александровой. Согласно этой концепции гумификация – сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов разложения органических остатков в гумусовые вещества. Ведущее значение при этом имеют реакции медленного биохимического окисления.

Биологические концепции гумусообразования предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р.Вильямсом, она получила развитие в работах Ф.Ю.Гельцера, С.П.Ляха, Д.Г.Звягинцева и др.

Наряду с вышеперечисленными существует еще ряд концепций, объясняющих процесс гумификации, однако до настоящего времени все они не имеют достаточного экспериментального подтверждения.

Влияние природных условий на характер и скорость гумусообразования. Многообразие природно-климатических условий предопределяет различия в гумусообразовании. Характер и скорость гумусообразования зависят от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются: водно-воздушный и тепловой режимы, гранулометрический состав, физико-химические свойства почвы, состав и характер поступления растительных остатков, видовой состав микрофлоры и ее активнось.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразование протекает в аэробных или анаэробных условиях. При влажности почвы 60-80% от полной влагоемкости и температуре 25-30⁰С разложение растительных остатков протекает весьма интенсивно. Промежуточные продукты разложения органического вещества быстро минерализуются, высвобождается значительное количество элементов минерального питания, но гумуса накапливается мало. То есть в таких условиях процессы минерализации доминируют над процессами гумификации.

При постоянном и значительном недостатке влаги количество растительного опада невелико, процессы трансформации замедлены. Это приводит к накоплению гумуса в небольших количествах.

При постоянном избытке влаги (анаэробные условия) процессы гумусообразования замедляются, особенно если избыток влаги сочетается с низкими температурами. В разложении растительных остатков участвуют анаэробные бактерии. Промежуточные продукты разложения содержат много низкомолекулярных органических кислот и восстановленных газообразных продуктов. Эти соединения подавляют микробиологическую активность, в результате чего разложение растительных остатков замедляется, происходит скопление полуразложившихся остатков, частично сохранивших анатомическое строение, – торфа.

Наибольшее количество гумуса в почвах накапливается при сочетании оптимального гидротермического режима и периодически повторяющегося, не очень сильного иссушения. Такие условия создаются при формировании черноземов.

На гумусообразование значительное влияние оказывает состав растительных остатков и характер их поступления в почву.

Так, остатки травянистой растительности богаты белками, углеводами и зольными элементами. Основная часть их попадает непосредственно в почву в виде корней, их разложение происходит при тесном контакте с почвенными частицами в присутствии значительного количества оснований, прежде всего кальция. Основная группа микроорганизмов-гумификаторов в данном случае – бактерии. В таких условиях образуется высококачественный мулевый («мягкий») гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть почвы. Мулевый гумус также образуется под лиственными лесами, хотя растительный опад в этом случае попадает на поверхность почвы.

Остатки древесной растительности бедны белками, содержат мало зольных элементов, но обогащены лигнином, восками, смолами, дубильными веществами. Поступают они преимущественно на поверхность почвы и разложение их осуществляется грибной микрофлорой. При разложении такого опада образуется значительное количество легко передвигающихся с током воды вниз по профилю органических кислот. Нейтрализации их не происходит из-за недостатка оснований, процессы гумификации подавлены кислой реакцией. В таких условиях формируется модер («грубый») гумус, в составе которого преобладают фульвокислоты.

Таким образом, в почвах накапливается различное количество гумуса (от 0,5-1 до 10-12% и более), существенно различающегося по качеству. Качество гумуса определяют по соотношению гуминовых и фульвокислот в его составе (Сгк/Сфк). Различают следующие типы гумуса: гуматный (более 1,5), гуматно-фульватный (1-1,5), фульватно-гуматный (0,5-1) и фульватный (менее 0,5).

Значительное влияние на гумусообразование оказывают гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы. Песчаные и супесчаные почвы имеют хорошую аэрацию, быстро прогреваются. В этих почвах органические остатки интенсивно разлагаются, образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются.

В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения растительных остатков происходит значительно медленнее, гумусовых веществ образуется больше, и они хорошо закрепляются на поверхности минеральных частиц.

Гумусонакопление зависит не только от количества образовавшегося гумуса, но и от условий его закрепления в почве. Большую роль в этом играет кальций, так как для почв, насыщенных кальцием, характерна нейтральная реакция среды, благоприятная для развития бактерий. В этих почвах образуется много нерастворимых гуматов кальция. Наряду с этим закреплению гумуса способствует наличие в почвах глинистых минералов.