Органическое вещество в различных типах почвы.

Почвы различных типов, как и различных уровней окультуренности, существенно отличаются по количеству и качеству органического вещества. В настоящее время используют множество методов, характеризующих состав и свойства органического вещества почв. Однако не всегда определяемым показателям может быть дана четкая однозначная почвенно-генетическая или агрономическая интерпретация. В природе встречаются бимодальное распределение - с двумя гумусовыми горизонтами, например в иллювиально-железисто-гумусовыx подзолах; полимодальное, например в пеплово-вулканических почвах, и некоторые другие.

В широких пределах варьирует содержание гумуса в верхних горизонтах разных почв - от 0,5-1 до 10-12 % и более. Сельскохозяйственное использование в условиях низкой культуры земледелия приводит к снижению уровня гумусированности. В зависимости от соотношения гуминовых кислот к фульвокислотам различают следующие типы гумуса:гуматный (>1,5), фульватно-гуматный(1-1,5), гуматно-фульватный (1-0,5) и фульватный(<0,5). Вприродном почвообразовании складывается закономерность, согласно которой при наиболее благоприятных условияхгумусонакопленияформируется гумус, относительно обогащенный гуминовыми кислотами (черноземы, перегнойные почвы). Освоение и окультуривание почв в ряде случаев оказывают обычно неоднозначное влияние и на тип гумуса, изменяя его качественный состав. Запасы гумуса в отдельных горизонтах почв или почвенном профиле в целом приблизительнo пропорциональны содержанию гумуса в почве. Это используют при сравнительно-балансовых оценках.

По данным элементного анализа оценивают такие показатели, как обогащенность гумусовых кислот ароматическими фрагментами и азотом. Наивысшая ароматичность отмечается для гуминовых кислот черноземов при очень низком содержании азота, большая часть которого представлена негидролизуемым азотом гетероциклических фрагментов. Для черноземов отмечается также минимальное содержание так называемых «свободных» гуминовых кислот (переходящих в щелочную вытяжку из недекальцированного образца) и максимальное содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием. Во всех почвах содержится от 25 до 50 % нерастворимого остатка. Эта часть гумуса представлена соединениями двух типов: полуразложившимися растительными остатками различной степени гумификации, которые не удается отобрать перед анализом, и минералогумусовыми сорбционными комплексами - наиболее устойчивой частью гумуса.

4. Представление о процессе гумусообразования.

Поступающие в почву органические остатки подвергаются различным биохимическим и физико-химическим превра­щениям, в результате которых большая часть органического вещества окисляется до конечных продуктов, преимущественно С0₂, Н₂О и простых солей (минерализация), а меньшая, пройдя сложные превращения, называемые в совокупностигумификацией, включается в состав специфических гумусовых веществ почвы. В самом общем виде понятие гумификации может быть определено как совокупность биохимических и физико-химических процессов, итогом которых является превращение органических веществ индивидуальной природы в специфические гумусовые вещества, характеризуемые некоторыми общими свойствами и чертами строения. Эти общие свойства перечислены выше при определении понятия «гумусовые вещества».

Важнейшая количественная характеристика гумификации - коэффициент гумификации К_г, представляющий долю (или процентную часть) углерода органических остатков, включившегося в состав гумусовых веществ при полном их разложении. Коэффициент гумификации сильно зависит от конкретных условий: гидротермического режима, ботанического и биохимического состава и дозы органических остатков, характера их локализации и т. д. и колеблется от единиц до десятков процентов.

Рассмотрим кратко наиболее распространенные современные концепции гумусообразования.

Конденсационную (полимеризационную) концепцию разрабатывали в разные годы А.Г. Трусов, М.М. Кононова, В. Фляйг следующим образом формулирует основные положения, составляющие сущность процесса гумификации: 1) процесс гумификации растительных остатков сопровождается минерализацией входящих в них компонентов до С0₂, Н₂0, NН₃ и других продуктов; 2) все компоненты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах продуктов распада, продуктов микробного метаболизма и продуктов распада и ресинтеза; 3) ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является конденсации структурных единиц, которая происходит путем окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз, через семихиноны до хинонов и взаимодействия последних с аминокислотами и пептидами; 4) заключительное звено формирования гумусовых веществ - поликонденсация (полимеризация) является химическим процессом. При гумификации органических остатков отдельные звенья процесса тесно скоординированы и могут протекать одновременно.

Концепция биохимического окисления предложена в 30-х годах И.В. Тюриным и развивалась в работах Л.Н. Александровой, согласно которой гумификация - сложный био-физико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений - гумусовые кислоты. Ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления, в результате которых образуется система высокомолекулярных органических кислот. Гумификация - длительный процесс, в течение которого происходит постепенная ароматизация молекул гуминовых кислот не за счет конденсации, а путем частичного отщепления наименее устойчивой части макромолекулы новообразованных гуминовых кислот.

Возникающая система гумусовых кислот вступает во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, освобождающимися в процессе минерализации последних, а также с минеральной частью почвы, образуя ряд органо-минеральных производных.

Биологические концепции гумусообразования предполагают, что гумусовые вещества - продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р. Вильямсом, который объяснял качественную неоднородность гумусовых веществ почв участием в их образовании различных групп микроорганизмов - аэробных и анаэробных бактерий, грибов и рассматривал различные группы гумусовых веществ как экзоэнзимы разных групп микроорганизмов. В последующих исследованиях экспериментально была показана возможность синтеза темноокрашенных гумусоподобных соединений различными группами микроорганизмов (Ф.Ю.Гельцер, С.П. Лях, Т.Г. Мирчинк, Д.Г. Звягинцев).

По мнению Д. С. Орлова, в почвах могут иметь место процессы гумусообразования, идущие как по конденсационному пути, так и по пути биохимического окисления. При этом в почвах черноземного типа сповышенной биологической активностью преобладает конденсационный путь с глубоким распадом исходного органического материала. В почвах дерново-подзолистого типа с пониженной биологической активностью глубокого распада органических остатков, вероятно, не происходит. Накопление в почвах специфических гумусовых соединений является результатом, по выражению Д.С. Орлова, определенного статистического «естественного отбора» соединений, термодинамически и микробиологически устойчивых в данных конкретных условиях. При этом уровень накопления гумуса и его качественный состав определяются кинетикой отдельных процессов, приводящих к формированию гумусовых молекул и их последующей деградации в зависимости от действующих факторов, поэтому развиваемая концепция получила название кинетической теории гумификации.

Все перечисленные взгляды на образование гумусовых веществ рассматривают гумификацию от исходных веществ до формирования зрелой системы гумусовых соединений. Между тем, как показали эксперименты с меченными ¹⁴С растительными остатками, в современных нормально функционирующих почвах, гумусовый профиль которых уже сформировался, включение продуктов разложения свежих растительных остатков в состав гумусовых веществ наряду с образованием новых молекул специфических соединений происходит в значительной мере по типу, названному фрагментарным обновлением гумуса(А. д. Фокин). Его суть состоит в том, что продукты разложения не формируют целиком новую гумусовую молеку­лу, а включаются за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем, после частичной минерализации, образуют более устойчивые циклические структуры. Таким образом, атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счет новых поступлений органического материала. При этом периферические фрагменты обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные.

5. Значение гумуса в почвообразовании, плодородии и питании растений.

Органическое вещество играет разнообразную роль как в формировании характерных признаков почвы, так и в протекании различных процессов трансформации, массопереноса, питания растений. При этом следует отметить, что все группы органического вещества почв, т. е. свежие органи­ческие остатки, детрит (органические остатки различной степени разложения, переходная группа от свежих органических остатков к гумусовым веществам), отдельные группы гумусовых веществ выполняют значимую, но различную роль в почвообразовании, плодородии и питании растений.

Функции органического вещества. 1. Формирование специфического органопрофиля. 2. Агрегатообразование с участием гумусовых и глиногумусовых соединений. 3. Формирование сложения и влияние гумусовых веществ на водно-физические свойства почвы. 4. Формирование лабильных миграционноспособных соединений и вовлечение минеральных компонентов почвы в биогеохимический круговорот. 5. Формирование сорбционных, кислотно-основных и буферных свойств почвы. 6. Источник элементов минерального питания высших растений (N, Р, К, Са, микроэлементов). 7. Источник органического питания для гетеротрофных организмов и влияние на биологическую и биохимическую активность почв. 8. Источник СО₂ В приземном слое воздуха и влияние на продуктивность фотосинтеза. 9. Источник биологически активных веществ в почве, оказывающих влияние на рост и развитие растений, мобилиза­цию питательных веществ и т. д. (природные ростовые вещества, ферменты, витамины и др.). 10. Ускорение микробиологической деградации пестицидов, каталитическое влияние на скорость разложения пестицидов. 11. Закрепление загрязняющих веществ в почвах (сорбция, комплексообразование и т. д.), снижение поступления токсикантов в растение. 12. Усиление миграционной способности токсикантов.

Этим, конечно, не исчерпываются все функции органических веществ, поскольку многие из них изучены еще недостаточно. Имеются лишь отрывочные сведения о биологической активности отдельных компонентов органического вещества, их каталитических свойствах и т. д.

ЛЕКЦИЯ 4