Органическое вещество почв

Лекция 12

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

Дата добавления: 2014-01-07