Органическое вещество и органические профили почв
Потенциальными источниками органического вещества почвы можно считать все компоненты биоценоза, которые попадают на поверхность почв или в толщу почвенного профиля и участвуют в процессах почвообразования. Органическое вещество (ОБ) — это совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы — гумуса (рис. 9).
В разных природных зонах запасы биомассы биоценозов неодинаковы. Наземный и корневой опад и продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого формируется органическое вещество почв.
Гумусообразование (гумификация).Гумификация — сложный биологический и физико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений — гумусовые кислоты: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин.
Гуминовые кислоты (ГК) легко осаждаются водородом минеральных кислот и двух—трехвалентными катионами (Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+) из растворов. Гуминовые кислоты, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,6 г/см3. Элементный состав гуминовых кислот в процентах по массе составляет: С — 50—62; Н — 2,8 — 6,6; О — 31—40; N — 2 — 6. Содержание углерода максимально в черноземах и уменьшается по мере продвижения в сторону гумидных и аридных почв. Молекула ГК имеет сложное строение.
Фульвокислоты (ФК) — группа гумусовых кислот, остающихся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Это высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. От ГК отличаются светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в кислотах и способностью к кислотному гидролизу.
Негидролизуемый остаток — гумин — это совокупность ГК и ФК, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также труд-норазлагаемых компонентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц.
Распад органического вещества — сложный и длительный процесс частичного или полного превращения сложноорганизован-ных структур и молекул в более простые, в том числе в продукты полной минерализации (С02, NH3, H20 и др.).
Минерализация органического вещества — комплекс физико-химических и биохимических окислительно-восстановительных микропроцессов, приводящих к полному разложению органических остатков и собственно гумусовых веществ до конечных продуктов окисления — окислов и солей. Этот процесс — составная часть круговорота углерода, так как обусловливает освобождение и переход в доступную форму основных элементов минерального питания растений.
Комплексообразование и миграция продуктов гумификации включает процессы взаимодействия образующихся при гумификации органических кислот специфической (гумусовой) природы и неспецифических соединений с минеральной частью почвы, приводящие к ее частичной или полной мобилизации. Мобилизация минеральных соединений может происходить за счет образования истинных солевых растворов щелочных и щелочноземельных металлов, растворов комплексных соединений, или хелатов. При этом в качестве катиона, образующего комплексы, в основном выступают ионы железа и алюминия, а также коллоидные растворы — золи кремния и алюминия.
Часто мигрирующие органические и органо-минеральные вещества в пределах почвенного профиля закрепляются на различных биогеохимических барьерах процессами иммобилизации, например, надмерзлотное осаждение органических и органоминеральных соединений в почвах тундр и северной тайги.
Органические профили почв.В результате действия совместно протекающих биогенно-аккумулятивных процессов образуются однотипные (по запасам органического вещества, его распределению внутри и на поверхности почвы, степени разложения, типу гумуса и др.) сопряженные органогенные и/или органоминеральные зоны, которые принято называть органическими профилями почв.
Согласно данным А. Е. Черкинского и О. А. Чичаговой, все разнообразие этих профилей почв мира сводится к семи основным типам.
1. Аккумулятивно-детритовый — характеризует органогенные и органогенно-глеевые почвы в широком диапазоне биоклиматических условий: от тундр до тропиков (торфяные, торфяно-глеевые, лугово-болотные, маршевые, болотные и т.д.). Этот тип органического профиля характеризуется поверхностным накоплением слаборазложившегося ОВ, практически не связанного с минеральной массой почвы (торф), фульватного или гуматно-фульватного состава. Радиоуглеродный возраст ОВ — несколько тысяч лет. Запасы ОВ — более 30 кг/м2, но могут достигать и более 100 кг/м2.
2. Аккумулятивно-детрито-гумусовый — представлен в почвах хвойных северотаежных лесов (глееподзолистые торфянистые, подзолы железисто-гумусовые, торфянистые и т.д.). Для этого типа характерно как поверхностное накопление слаборазложившегося ОВ, так и внутрипрофильное бимодальное распределение гумуса с возможным его накоплением в иллювиальных горизонтах. Образующиеся специфические гумусовые вещества непрочно связаны с минеральной массой почвы через полуторные окислы железа и алюминия (мор, мор-модер фульватного или гуматно-фульватного состава). Время разложения и минерализации подстилки замедлено (первые сотни лет). Радиоуглеродный возраст гумуса иллювиальных горизонтов — 2—3 тыс. лет и более. Запасы ОВ средние — 10-15 кг/м2.
3.Аккумулятивно-изогумусовый — распространен в почвах степей, саванн, переменно-влажных лесов и редколесий (черноземы, коричневые, темно-каштановые, красно-коричневые и т.д.). Он характеризуется внутрипрофильным инситным накоплением О В при высокой степени его гумификации. Скорость разложения и минерализации подстилки — от нескольких лет до первых десятков лет. Образующиеся специфические гумусовые вещества прочно связаны с минеральной массой почвы через ионы Са2+ (мюлль, гуматного или фульватно-гуматного состава). Радиоуглеродный возраст — до нескольких тысяч лет. Запасы ОВ — 15 — 30 кг/м2, его распределение внутри профиля равномерно убывающее.
4. Элювиалъно-иллювиалъно-гумусовый — характерен для почв боре-альных, суббореальных и субтропических лесных областей (дерново-подзолистые, серые лесные, буроземы типичные, желтоземы и красноземы и т.д.). Этот тип органопрофиля отличает накопление ОВ с высокой и средней степенью гумификации в основном в верхней минеральной части профиля и относительно слабое накопление на поверхности с последующим перемещением на некоторую глубину в пределах почвенного профиля (модер или мюлль с гу-матно-фульватным или фульватно-гуматным составом). Скорость разложения подстилки и обновления гумуса высокая — максимум десятки лет (радиоуглеродный возраст — современный или первые сотни лет). Запасы ОВ — 10—15 кг/м2; сосредоточены в верхней части органопрофиля при убывающем его распределении.
5. Элювиально-гумусовый — встречается в основном в субтропических и тропических грунтово-глеевых подзолах. Характеризуется быстрым разложением непрерывно поступающего опада (в течение одного года). Образующиеся в небольшом количестве гумусовые вещества выносятся за пределы почвенного профиля без заметного в нем накопления (модер фульватного или гуматно-фуль-ватного состава). Запасы ОВ низкие — 5—10 кг/м2, с резко убывающим его распределением внутри профиля.
6. Минерализационно-изогумусовый — представлен в почвах полупустынь, сухих степей, сухих саванн (светло-каштановые, красно-бурые, бурые, серо-бурые и другие почвы). В этом профиле при довольно значительном поступлении опада отсутствует его накопление вследствие быстрой минерализации отмерших растительных остатков как на поверхности, так и внутри профиля. Наибольшее количество специфических гумусовых веществ, связанных с минеральной массой (мюлль фульватно-гуматного или гуматно-фульватного состава), обновляется с высокой скоростью (радиоуглеродный возраст современный). Запасы ОВ низкие — 5—10 кг/м2.
7. Безгумусовый — характерен для почв, формирующихся при низких температурах, сильном выдувании ветром, на бедных поч-вообразующих породах под разреженной растительностью (глее-вые тундровые мерзлотные, такыры, арктические пустынные, песчаные и т.д.). В этом типе органического профиля в результате очень малого поступления в почву растительных остатков практически отсутствуют органосодержащие горизонты. Малое количество гумуса (меньше 1 %), прочно связанного с минеральной массой почвы (типа мюлль-модер фульватного или гуматно-фульватного состава) более или менее равномерно распределено внутри профиля и обновляется с незначительной скоростью (радиоуглеродный возраст может достигать первых тысяч лет). Запасы ОВ очень низкие — менее 5 кг/м2.