Органическая часть почвы

План

1. Роль растений в почвообразовании.

2. Роль животных и микроорганизмов в почвообразовании.

3. Гумус и его компоненты.

4. Факторы, влияющие на гумусообразование.

 

Роль растений в почвообразовании. Наиболее могущественным фактором, оказывающим влияние на направление почвообразовательного процесса, являются живые организмы. Начало почвообразования всегда связано с поселением организмов на минеральномсубстрате. Пионерами в освоении и преобразовании косного минерального вещества в почве являются различные виды микроорганизмов, лишайники, водоросли. Они готовят биогенный мелкозем – субстрат для поселения высших растений. Именно высшим растениям, как главным накопителям вещества и энергии в биосфере, принадлежит ведущая роль в процессах почвообразования.

Роль высших растений в почвообразовании проявляется, прежде всего, в образовании органических веществ в процессе фотосинтеза. Ежегодно высшие растения суши синтезируют около 10¹¹ т органического вещества (в пересчете на сухую массу). Для оценки динамики органического вещества в системе растения-почва применяют следующие показатели. Биомасса – количество органического вещества растительных сообществ. Мертвое органическое вещество – количество органического вещества в отмерших частях растений и продуктах опада. Годовой прирост – масса органического вещества, нарастающая за год. Опад – количество ежегодно отмирающего органического вещества на единицу площади.

Годовая продуктивность растительности сильно колеблется в зависимости от географических условий. Наибольшее количество органического вещества содержится в лесных сообществах. Максимальные значения наблюдаются в постоянно влажных тропических лесах (более 5 тысяч ц/га). Меньшей биомассой характеризуются травянистые сообщества, такие как саванны (600-700 ц/га) и степи (100-250 ц/га). Минимальные значения характерны для тундры (50-250 ц/га) и пустынь (до 50 ц/га). Содержание мертвого органического вещества на поверхности почвы под растительностью разного типа также неодинаково. Большое его количество образуется под лесными сообществами в условиях бореального климата (300-350 ц/га). В постоянно влажных тропических лесах скорость разложения органики очень высока, поэтому накапливаемое количество мертвой органики меньше в 10 раз. Наибольшее количество мертвого наземного органического вещества установлено в кустарничковых тундрах (835 ц/га), наименьшее – в пустынях. Максимальный годовой прирост приходится на растительность постоянно влажных тропических лесов (325 ц/га), в лесах умеренного пояса он значительно меньше – 45-85 ц/га. Весьма велик годовой прирост растительности луговых степей (137 ц/га), наименьший годовой прирост наблюдается в тундрах (10-25 ц/га) и пустынях (10 ц/га). Ежегодно отмирающие части и корни растений поступают в почву в виде опада. От многолетних древесных пород каждый год поступает в почву лишь незначительная часть их биологической массы в виде опада отмирающих веществ, преимущественно наземных. Кустарничковая растительность ежегодно теряет значительно большую часть своей биомассы, а наземная часть трав отмирает почти полностью. В связи с этим растительность луговых степей ежегодно поставляет в почву в 3 раза больше опада, чем таежные леса [5].

Кроме синтеза органики, растения своей жизнедеятельностью обуславливают чрезвычайно важный процесс – биогенную миграцию химических элементов. Основные химические элементы всех органических веществ – углерод, кислород и водород составляют около 90% массы сухого органического вещества. Но в составе растений имеются также азот, фосфор, калий, кальций, натрий, магний, хлор и многие другие элементы. В отличие от углерода, кислорода и водорода большая часть химических элементов, содержащихся в растениях, при сжигании остается в золе, поэтому их называют зольными элементами. Зольные элементы извлекаются растениями из почвы и входят в состав органического вещества. После отмирания органическое вещество поступает в почву, где преобразуется микроорганизмами. Часть зольных элементов при этом переходит в формы, доступные для усвоения растениями, и вновь входит в состав органического вещества, а часть задерживается в почве или удаляется с фильтрующимися водами. В результате происходи миграция зольных элементов в системе почва-растительность-почва, получившая название биологического круговорота.

Роль растений в почвообразовании не ограничивается вышеназванными функциями. Растения способствуют механическому и химическому разрушению почвообразующих горных пород, образуют определенную структуру почвы, расчленяя корнями почвенную массу. Растительный покров влияет на поверхностный сток, формирует определенный микроклимат. Наличие растительного покрова снижает интенсивность водной и ветровой эрозии почв.

Роль животных и микроорганизмов в почвообразовании. Наряду с высшей растительностью большое влияние на процессы почвообразования оказывают многочисленные представители почвенной фауны – беспозвоночные и позвоночные, населяющие различные горизонты почвы и живущие на ее поверхности. По размерам особей представителей почвенной фауны можно разделить на несколько групп. Нанофауна – простейшие, живущие в воде, заполняющей почвенные поры. Микрофауна – организмы, размер которых менее 0,2 мм (протозоа, нематоды, ризоподы, эхинококки), обитающие во влажной среде. Мезофауна – животные размером от 0,2 до 4 мм (микроартроподы, мельчайшие насекомые, некоторые мириаподы и специфические черви), приспособленные к жизни в почве, имеющей достаточно влажный воздух. Макрофауна состоит из животных размером от 4 до 80 мм. Это земляные черви, моллюски, насекомые (муравьи, термиты и др.). Мегафауна включает животных размером более 80 мм (крупные насекомые, крабы, скорпионы, кроты, змеи, черепахи, мелкие и крупные грызуны, лисы, барсуки и другие животные, роющие в почвах ходы и норы). Среди почвенных животных абсолютно преобладают беспозвоночные. Их суммарная биомасса в 1000 раз больше общей биомассы позвоночных.

Функции беспозвоночных и позвоночных животных важны и разнообразны. Одна из них – разрушение, измельчение и поедание органических остатков на поверхности почвы и внутри ее. Примером необычайно интенсивного воздействия на почву служит работа дождевых червей. На площади в 1 га черви ежегодно пропускают через свой кишечник в разных почвенно-климатических зонах от 50 до 600 т мелкозема. Вместе с минеральной массой при этом поглощается и перерабатывается огромное количество органических остатков. В среднем экскременты червей (копролиты) составляют до 25 т/га в год. При этом осуществляется работа по перераспределению переработанного органического вещества не только в профиле почв, но и по их поверхности. Дождевые черви, проделывая многочисленные ходы и норки, улучшают физические свойства почвы: повышают ее пористость, аэрацию, влагоемкость и водопроницаемость. Почвы, содержащие копролиты червей, обладают и более водопрочной структурой. Кроме дождевых червей, в почве живет значительное количество насекомых, которые оказывают существенное влияние на почвообразовательный процесс. Проделывая в почве многочисленные ходы, они разрыхляют почву и улучшают ее физические и водные свойства. Насекомые, принимая активное участие в переработке растительных остатков, способствуют обогащению почвы гумусом и минеральными веществами.

Вторая функция почвенных животных выражается в накоплении в их телах элементов питания и в синтезе азотсодержащих соединений белкового характера. После завершения жизненного цикла животного наступает распад тканей и возврат в почву накопленных в телах животных веществ и энергии. Переработанное почвенной фауной органическое вещество является прекрасной средой для поселения почвенной микрофлоры.

Деятельность роющих животных оказывает большое влияние на перемещение масс грунта и почвы, на формирование своеобразного микро- и нанорельефа. В ходе своей жизнедеятельности роющие животные изменяют химические условия, водный и тепловой режим почв. В некоторых случаях перерытость почв и выбросы на поверхность достигают таких размеров, что возникает необходимость введения в номенклатуру почв специальных определений (например, карбонатный перерытый чернозем).

Совершенно своеобразную и исключительно важную роль в процессах почвообразования играют микроорганизмы. Если высшие растения являются главными продуцентами биологической массы, то микроорганизмам принадлежит основная роль в глубоком и полном разрушении органических веществ.

Среди микроорганизмов почвы наиболее широко представлены бактерии. По способу питания бактерии делятся на прототрофные и метатрофные. Прототрофные (аутотрофные) бактерии усваивают углерод из углекислого газа. В качестве источника энергии для превращения углерода углекислого газа в органические соединения своего тела они используют или энергию солнца (фотосинтез), или химическую энергию окисления некоторых минеральных веществ (хемосинтез). Метатрофные (гетеротрофные) бактерии усваивают углерод готовых органических соединений. Обе эти группы организмов (прототрофные и метатрофные) неодинаково относятся к источникам азотного питания. Некоторые из них способны фиксировать атмосферный азот (азотфиксаторы), другие усваивают только аммиачный азот (нитрификаторы), третьи усваивают азот белковых соединений (аммонификаторы) и др. По типу дыхания бактерии делятся на аэробные, требующие свободного (молекулярного) кислорода, и анаэробные, не нуждающиеся в свободном кислороде. Среди анаэробных бактерий имеются облигатные анаэробы, развивающиеся без молекулярного кислорода, и условные (факультативные) анаэробы, которые могут жить как без свободного кислорода, так и при его наличии.

Разнообразие бактерий обуславливает и разнообразие процессов, в которых они участвуют. Важное значение имеет деятельность азотфиксирующих бактерий. В атмосфере содержится огромное количество молекулярного азота, но ни зеленые растения, ни большинство микроорганизмов, населяющих почву, не способны усваивать атмосферный азот. Способностью фиксировать азот атмосферы обладает небольшая группа почвенных бактерий. Они делятся на две группы: свободно живущие в почве аэробные и анаэробные бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями. Аэробные метатрофные бактерии обусловливают окисление органических веществ. Они участвуют в самых различных процессах по превращению органических веществ в почве, особенно в процессах аммонификации – разложения белкового азота до минеральных форм азота в виде аммиака. Образующиеся в процессе аммонификации аммонийные соли подвергаются в почве дальнейшему окислению и переходят сначала в соли азотистой, а затем азотной кислоты. Окисление азотистой кислоты в азотную происходит в результате жизнедеятельности бактерий рода Nitrobacter. В процессе нитрификации образующаяся азотная кислота, соединяясь с основаниями, находящимися в почве, дает нитраты, которые используются растениями в качестве азотной пищи. Наряду с процессом нитрификации в почве протекает и процесс денитрификации, то есть восстановления нитратов до молекулярного азота или промежуточных азотистых соединений. Другой важный процесс – сульфофикация – окисление сероводорода, элементарной серы до серной кислоты. Эти процессы осуществляются особой группой бактерий, получивших название серобактерий. Серная кислота способствует переводу труднорастворимых минеральных солей (особенно фосфатов) в растворимое состояние. Благодаря этому возрастает количество минеральных соединений, доступных растениям, и улучшаются условия для их питания.

Обширную группу почвенных микроорганизмов составляют грибы. Являясь сапрофитными гетеротрофными организмами, грибы играют важную роль в основных жизненных процессах, протекающих в почве. Почвенные грибы распространены во всех почвах, но их особенно много в лесных, где из-за кислой среды роль бактерий значительно снижается. Наиболее распространены плесневые грибы из родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Rhisopus. Плесневые грибы, обладая ветвящимся мицелием, обычно густо переплетают массу органических остатков в почве. В аэробных условиях они разлагают углеводы – клетчатку, лигнин, а также жиры, белки и другие органические соединения. Грибы принимают участие в разложении и минерализации гумуса почвы, особенно в лесных почвах.

Многочисленная группа почвенных микроорганизмов, но менее конкурентоспособная, чем бактерии и грибы, – актиномицеты. Они существуют в почве длительное время как покоящиеся споры и растут тогда, когда появляются доступная пища, необходимый уровень температуры (5-10°С) и влажности (91,5-99%). Актиномицеты активно участвуют в разложении органического вещества. Они могут использовать любые углеводы, в том числе активно разрушают маннаны, ксиланы, пектиновые вещества, целлюлозу, кератин, хитин, могут разрывать длинные цепи жирных кислот и углеводородов. Актиномицеты рода Nocardia с помощью фермента фенолоксидазы разлагают гумус с утилизацией азота гетероциклов. Особенно большую роль актиномицеты играют в трансформации органического вещества черноземов.

Среди почвенных микроорганизмов широко распространены и различные водоросли. Особенно обильно эти автотрофные организмы населяют поверхностные слои почвы, но могут встречаться и в более глубоких горизонтах. Водоросли пополняют почву органическим веществом, которое не только дает пищу для различных почвенных бактерий, но и может служить основой для накопления перегноя. Положительное влияние оказывают водоросли и на азотный баланс почвы: обогащая почву органическим веществом, водоросли стимулируют развитие в ней азотфиксирующих бактерий. В болотных почвах и на рисовых полях водоросли улучшают аэрацию, усваивая растворенный углекислый газ и выделяя в воду кислород. Водоросли активно участвуют в процессах выветривания пород и в первичном процессе почвообразования.

Через опад органическое вещество, созданное растениями, попадает на почву и в почву и под воздействием живых организмов, населяющих почву (огромного числа видов беспозвоночных животных и микроорганизмов), подвергается процессам трансформации и либо минерализуется до некоторых простых соединений – углекислоты, воды, газов и простых солей, либо преобразуется в новые сложные соединения – почвенный гумус.

Гумус – сложный комплекс новообразованных органических веществ, все составляющие части которого находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и с минеральной частью почвы. Превращение органических остатков в гумус (гумусообразование) является совокупностью процессов разложения исходных органических остатков, синтеза вторичных форм микробной плазмы и их гумификации. Гумификация – процесс превращения продуктов разложения органических остатков в гумусовые вещества. Активное участие в превращении органических остатков в гумус принимают микроскопические и макроскопические животные, которые перемешивают с почвой всю массу органических остатков и продуктов их разложения и гумификации.

Компоненты гумуса. В состав гумуса входят две главные группы веществ: неспецифические органические соединения индивидуальной природы, встречающиеся не только в почвах, но и в других объектах (тканях растений, животных); специфические для почв комплексы органических соединений – это собственно гумусовые вещества.

В процессе трансформации остатков растений, животных и микроорганизмов, а также при поступлении в почву продуктов их метаболизма органическое вещество почвы обогащается веществами индивидуальной неспецифической природы. Они составляют 10–15% от органического вещества почвы. Среди них выделяют следующие группы: азотсодержащие вещества, углеводы, гетерополисахариды, липиды, зольные элементы.

Гумусовые вещества представляют собой систему высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. Они включают гуминовые кислоты, фульвокислоты и негидролизуемый остаток или гумин.

Гуминовые кислоты – это высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты циклического строения. Они хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в кислотах. Гуминовые кислоты, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет. При взаимодействии с катионами аммония, щелочных и щелочноземельных металлов гуминовые кислоты образуют соли – гуматы, обладающие теми же свойствами. В целом гуминовые кислоты и гуматы способствуют повышению плодородия почв, формируют перегнойно-аккумулятивный горизонт, определяют дерновый процесс почвообразования.

Фульвокислоты – группа гумусовых кислот, остающаяся в растворе после осаждения гуминовых кислот. От гуминовых кислот отличаются светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в кислотах, большей гидрофильностью и способностью к кислотному гидролизу. Они снижают плодородие почв. Считается, что фульвокислоты благодаря резко кислой реакции и хорошей растворимости в воде энергично разрушают минеральную часть почвы. При просачивании через почву фульвокислоты образуют водорастворимые фульваты, комплексные соли, вымываемые из верхней части профиля нисходящими токами влаги. Это те кислоты, которые обуславливают подзолообразовательный процесс, формируют подзолистый горизонт.

В групповом составе гумуса выделяют также негидролизуемый остаток – гумин. Это совокупность гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также трудноразлагаемых компонентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц. Он имеет черный цвет, нерастворим ни в каких растворителях, способствует повышению плодородия и участвует в создании структуры почв.

Значение гумуса в почвообразовании и развитии плодородия определяется его обязательным участием во всех звеньях этих процессов. Гумусовые вещества и промежуточные продукты разложения органических остатков активно участвуют уже в первом этапе почвообразования – биологическом выветривании минералов и разрушении горных пород. Огромная роль принадлежит гумусу в формировании профиля почвы во всех природных зонах. Гумусовые вещества являются хорошими структурообразователями. В гумусе накапливаются и долго сохраняются все основные элементы питания растений и микроорганизмов. При постепенной минерализации гумуса эти элементы переходят в минеральные формы и используются растениями. При разложении гумуса и органических остатков выделяется большое количество углекислого газа, который поступает в припочвенные слои атмосферы и является источником углеродного питания для растений. Гумусовые вещества непосредственно стимулируют рост растений.

Факторы, влияющие на гумусообразование. В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования различны. На интенсивность гумусообразования влияют водно-воздушный и температурный режим. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги и благоприятной температуре процесс разложения органических остатков развивается интенсивно. В этих же условиях интенсивно идет минерализация. В почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений. При постоянном и резком недостатке влаги в почве накапливается мало растительных остатков, процессы разложения и гумификации замедляются, и гумуса также накапливается мало. В анаэробных условиях при постоянном избытке влаги и низких температурах процессы гумусообразования замедляются. Разложение органических остатков осуществляется анаэробными бактериями; в составе промежуточных продуктов разложения образуется много органических кислот и газообразные продукты, угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, гумификация идет слабо, и органические остатки превращаются в торф. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве оптимального гидротермического и водно-воздушного режимов и некоторое периодически повторяющееся иссушение. В таких условиях происходят постепенное разложение органических остатков, достаточно энергичная гумификация и закрепление образующихся гумусовых веществ минеральной частью почвы. Такой режим характерен для почв степных ландшафтов – черноземов.

Большое влияние на характер и скорость гумусообразования оказывают химический состав разлагающихся остатков и характер их поступления в почву. Остатки травянистой растительности разлагаются непосредственно в толще почвы в присутствии значительного количества оснований и прежде всего кальция. В таких условиях образуется «мягкий» или муллевый, гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть почвы. Муллевый гумус образуется также в почвах под лиственными или смешанными лесами с интенсивной деятельностью почвенной фауны. Остатки древесной растительности, бедные белками, содержащие мало зольных элементов, обогащенные лигнином, восками и смолами, поступают главным образом на поверхность почвы в виде наземного опада. Подстилка разлагается при участии грибов с образованием большого количества органических кислот. Кислая реакция подавляет развитие процессов гумификации и на поверхности почвы образуется «грубый» гумус (модер-гумус), содержащий много полуразложившихся остатков.

На гумусообразование влияние оказывают также видовой состав почвенных микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности. Северные таежные почвы характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с низкой жизнедеятельностью. К югу количество микроорганизмов в почве увеличивается, их видовой состав становится более разнообразным, жизнедеятельность резко возрастает. Не менее значительно влияние на гумусообразование механического состава и физико-химических свойств самой почвы. В песчаных и супесчаных почвах создается хорошая аэрация, они быстро прогреваются. В этих почвах разложение органических остатков ускоряется, значительная часть их минерализуется полностью, а образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при прочих равных условиях замедляется, гумусовых веществ образуется больше.

Факторы, влияющие на формирование гумуса, изменяются зонально. В связи с этим количество гумуса закономерно изменяется в зональных типах почв в зависимости от географических условий. Содержание гумуса увеличивается от тундровых и таежных подзолистых почв (2-3%) на юг к дерново-подзолистым, серым лесным (4-6%) и далее к черноземам (в среднем около 10%), а потом уменьшается до 2-4% в каштановых почвах сухих степей и до 1-2% в почвах пустынь. Одновременно меняется соотношение основных компонентов почвенного гумуса – гуминовых кислот и фульвокислот. Содержание гуминовых кислот увеличивается с возрастанием гумуса, а содержание фульвокислот, наоборот, уменьшается.

При использовании почв в сельском хозяйстве возникает необходимость регулировать количество гумуса в почве и улучшать его состав. К основным мероприятиям по регулированию количества и состава гумуса относятся: внесение органических удобрений в виде навоза и торфяных компостов; применение зеленых удобрений (люпин, сераделла); травосеяние; известкование кислых почв и гипсование солонцов; наиболее рациональная для данных почв система обработки, мелиорация.

 

Контрольные вопросы

1. Раскройте роль высших растений, животных и микроорганизмов в почвообразовании.

2. Сформулируйте понятие «гумус».

3. Перечислите компоненты гумуса, назовите их особенности.

4. Назовите факторы, влияющие на гумусообразование.