Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы состоит из органических остатков (различной степени разложения) и гумуса, представляющего собой массу специфических органических веществ темного цвета, равномерно пропитывающих минеральную часть верхнего слоя почвы.
Источники органического вещества. Основной источник органического вещества почвы - остатки отмерших организмов - растений и животных. Количество органических остатков, поступающих в почву и на ее поверхность, определяется не только типом растительности, ее возрастом (имеется в виду древесная многолетняя), но и условиями произрастания. В таежно-лесной зоне, в еловом лесу 60-80-летнего возраста средний годовой опад составляет 4—7 т на 1 га. Примерно такое же количество опада оставляет береза.
Под травянистой растительностью основной источник гумуса — корни, масса которых в метровом слое почвы (в воздушно-сухом состоянии) составляет на суходольных лугах в таежно-лесной зоне от 6 до 13 т на 1 га, в зоне степей — 8—28, в зоне пустынь — 3—12 т на 1 га. Многолетние сеяные травы в зависимости от их состава и условий произрастания оставляют в почве 6— 15 т корней на 1 га. Под однолетней культурной растительностью ежегодно остается 3—5 т корневых остатков на 1 га.
Скорость разложения органических остатков зависит от их состава. Быстро разлагаются остатки травянистых растений, особенно бобовых, богатых белками; медленному разложению подвергается лесная подстилка, содержащая лигнин, смолы, дубильные вещества.
Превращение органических остатков в почве. Разложение органических остатков происходит под воздействием воды и воздуха, животных и микроорганизмов, обитающих в почве. Основная роль в этом процессе принадлежит микроорганизмам.
Аэробный процесс разложения органических остатков при благоприятных условиях протекает интенсивно и приводит к их полной минерализации При этом углерод из различных соединений окисляется до СO2, водород —до Н2О, азот —до азотистой и азотной кислот, фосфор — до фосфорной кислоты, сера — серной кислоты. Все эти кислоты соединяются с основаниями, имеющимися в почве и золе растений, образуют различные минеральные соли. Большинство этих солей растворяется в воде и служит источником питания для жарений.
Анаэробный процесс разложения органических остатков, возникающий главным образом при избыточном увлажнении почвы, протекает медленно название процесса гниения. Этот процесс характеризуется неполным разрушением органических остатков. Если продукты жизнедеятельности анаэробных бактерий из среды не удаляются, процесс разложения замедляется или прекращается, неразложившиеся остатки консервируются. Кроме того, под влиянием анаэробных процессов ряд химических соединений в почве восстанавливается. Например, окисные формы железа переходят в закисные.
Образование гумусовых веществ. Помимо процессов минерализации и консервации органических остатков, в почве протекает процесс гумификации — образования гумусовых веществ, новых органических соединений специфической природы. По гипотезе И. В. Тюрина и Л. Н. Александровой, основу процесса гумификации составляет реакция медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение. К числу подобных веществ следует отнести белки растительного и животного происхождения, лигнин, дубильные вещества.
Реакция окисления, развивающаяся при разложений растительных остатков и происходящая под влиянием воздуха, ферментов-оксидаз и минеральных катализаторов, сопровождается соединением (полимеризацией) и уплотнением (конденсацией) промежуточных высокомолекулярных продуктов, что приводит к образованию новых высокомолекулярных гумусовых веществ, устойчивых к разложению. Гумусовые вещества (гумус) представляют собой комплекс высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строчения и кислотной природы.
Содержание гумуса в верхнем слое почв колеблется от 1—2 до 10—12% и более, постепенно или резко уменьшаясь с глубиной.
Из гумусовых веществ выделяют две основные группы кислот (гумусовые кислоты): фульвокислоты и гуминовые кислоты. Соединения этих кислот содержатся гумусе всех типов почв, но в различных количествах соотношениях.
Фульвокислоты в зависимости от концентрации имеют цвет от соломенно-желтого до оранжевого Этот внешний признак и определил их название (от латинског fulvus — желтый). В элементарный химический состав фульвокислот входят углерод (40—52%), кислород (40—48%), водород (4—6%), азот (2—6%). Фульвокислоты хорошо растворимы в воде, минеральных кислотах и в слабых растворах щелочей. Водные растворы фульвокислот обладают сильно кислой реакцией (pН 2,6—2,8). Кислотная природа фульвокислот обусловлена карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к реакциям обмена.
Гуминовые кислоты в отличие от фульвокислот имеют черную окраску и содержат больше углерода (52— 63%). Они слабо растворяются в воде, но растворимы в слабых растворах щелочей. Кислотная их природа обусловлена теми же причинами, что и у фульвокислот.
Высокомолекулярные гумусовые вещества (гумино вые кислоты и фульвокислоты) в растворах обладают свойствами коллоидов.
Органо-минеральные производные гумусовых кислот в почве. Кислоты гумусовых веществ (гумусовые кислоты), образующиеся в процессе гумификации, активно взаимодействуют с минеральной частью почвы, при этом формируются различные органо-минеральные производные. Из компонентов почвы в этом процессе участвуют катионы NH4, К, Nа и Са, Мg, несиликатные формы полуторных окислов и глинистые минералы.
При взаимодействии гумусовых кислот с катионами почв образуются соли—фульваты и гуматы. Гуматы (соли гуминовой кислоты) аммония и щелочных металлов хорошо растворимы в воде, гуматы Са и Мg — нерастворимы, они образуют водопрочные гели (гель — осадок коллоидов); склеивая и цементируя частицы почвы, они могут закрепляться на поверхности глинистых минералов. Все соли фульвокислот растворимы в воде и легко вымываются по профилю почвы.
С несиликатными формами полутораокисей гумусовые кислоты образуют сложные алюмо-железо-гуминовые соединения комплексной природы (в этих соединениях все железо и большая часть алюминия находятся в анионной части молекулы).
Алюмо- и железо-фульватные соли наиболее подвижны, они легко вымываются и перемещаются по профилю почвы. При высокой насыщенности среды полуторными окислами эти соединения фульвокислот выпадают в осадок. Алюмо- и железо-гуминовые соли менее подвижны, они осаждаются и накапливаются на месте своего образования.
Третья группа органо-минеральных производных гумусовых веществ образуется при взаимодействии гумусовых кислот и их солей с коллоидами почвы, представленными главным образом полуторными окислами и глинистыми минералами. При этом происходит прочное склеивание пленок гумусовых кислот и их солей с поверхностью минеральных коллоидов — образуются органо-минеральные коллоиды.
Гумус подзолистых и дерново-подзолистых почв характеризуется преобладанием соединений фульвокислот.
Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам в составе гумуса этих почв всегда меньше 1. В черноземах в составе гумуса преобладают гуминовые кислоты и отношение гк: фк близко к 2. Таким образом, почвы различаются не только по количеству гумуса, но и по качественному его составу.
Условия образования гумуса. В природных условиях отдельных почвенно-климатических зон характер и скорость разложения органических остатков и процесс гумификации неодинаковы, они зависят от ряда взаимосвязанных условий почвообразования.
Главные из этих условий: водно-воздушный и тепловой режимы почв, состав растительных остатков и характер их поступления, видовой состав микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности, механический состав и физико-химические свойства почвы. Процесс гумификации интенсивно протекает в тех почвах, в которых складываются благоприятные условия для роста растений и микроорганизмов.
Такие условия (благоприятное сочетание температур и выпадающих осадков в период вегетации, суглинистый механический состав почв и почвообразующих пород, наличие карбонатов в них, нейтральная и слабощелочная реакция) создаются на юге лесостепной зоны. В черноземных почвах этой зоны образуется наибольшее количество гумуса, в его составе преобладают гуминовые кислоты черного цвета, они прочно закрепляются в почве.
К югу от подзоны типичных черноземов увеличивается теплообеспеченность и сухость почвы, что приводит к уменьшению количества биомассы, увеличению ее минерализации, ослаблению процесса гумификации. Поэтому запасы гумуса в темно-каштановых почвах меньше по сравнению с черноземами. К северу, с меньшей обеспеченностью теплом и большей увлажненностью, при наличии бескарбонатных почвообразующих пород с кислой реакцией среды, сокращается количество травянистых остатков и их зольность. Образующиеся продукты гумификации частично вымываются, поэтому запас гумуса в подзолистых почвах обычно не превышает 100 т на 1 га.
В таежно-лесной зоне в составе органических остатков немалую долю занимают остатки деревянистых растений, при разложении которых образуется большое количество фульвокислот. Существенное влияние на гумификацию оказывает механический состав почвы. В песчаных и супесчаных почвах органическое вещество быстрее и полнее минерализуется, гумуса накапливается меньше, чем в глинистых почвах, где процесс разложения замедляется, а закрепление гумусовых веществ идет интенсивнее. На увеличение содержания гумуса в почве оказывает влияние химический состав почвообразующих пород и содержание оснований Са и Мg в почве, которые способствуют закреплению гуминовых кислот и образованию агрономически ценной структуры почв.
Роль гумуса в почвообразовании и плодородии почвы. Гумус входит в почву как ее важнейшая составная часть и в основном определяет ее плодородие. Органическое вещество и гумус — источникм питательных веществ для растений. В гумусе почвы элементы питания сохраняются на продолжительный срок. При постепенной минерализации гумуса в результате микробиологических процессов из него высвобож-дается азот, фосфор, сера и другие питательные элементы в доступной для растений форме.
При разложении органического вещества почвы увеличивается содержание СO2 в почвенном воздухе и приземных слоях атмосферы, что способствует увеличению фотосинтеза зеленых растений. С гумусом почвы связана ее поглотительная способность.
Огромная роль принадлежит гумусовым веществам в почвообразовательных процессах и в формировании профиля почвы. Фульвокислоты наиболее активно участвуют в подзолообразовательном процессе, а гуминовые кислоты — в дерновом.
Гумус влияет на все агрономические свойства почвы, поэтому содержание его и распределение по профилю — один из важнейших классификационных признаков различных типов почв.

34. Состав и свойства гумуса. Гуминовые кислоты. Фульвокислоты. Фульваты. Гумин. Значение гумуса в почвообразовании и плодородии почв.

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

Гуминовые кислоты. Это высокомолекулярные азотосодержащие органические вещества, образующиеся при разложении отмерших растений и гумификации, окрашенные в черный или коричнево-черный цвет. Молекулярная-масса – от 400 до 1 000 000. 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.

В состав гуминовых кислот входят (% по массе): углерод – 52-62, водород –2,8-6,6, кислород- 31-40, азот- 2-6.

Молекула гуминовой кислоты имеет ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. В ядро входят ряд ароматических циклических колец. Боковыми цепями могут быть углеводные, аминокислотные и другие цепочки. Функциональные группы представлены карбоксильными (-СООН) и феногидроксильными (ОН) группами, которые играют важную роль в почвообразовании, так как обуславливают процессы взаимодействия гуминовых кислот с минеральной частью почвы.

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. Это азотосодержащие высокомолекурярные органические кислоты, которые от гуминовых отличаются светлой (желтой, оранжевой) окраской, более низким содеражанием углерода, растворимостью в кислотах.

Элементный состав (% по массе): углерод – 41-46, водород – 4-5, азот –3-4. Содержание кислорода динамично и зависит от количества углерода, как правило, в фульвокислотах его больше, чем в гуминовых кислотах.

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

Молекулы фульвокислот построены по такому же принципу, как и молекулы гуминовых, однако ядро менее выражено, боковых цепей несколько больше, а по количеству функционльных групп они значительно превосходят гуминовые кислоты.

Взаимодействуя с минеральной частью, фульвокислоты образуют соли – фульваты. Практически все фульваты растворимы в воде.

Гумины. Это часть гумусовых веществ, которые нерастворимы ни в одном растворителе. Они представлены комплексом гуминовых, фульвокислот и их органо-минеральных производных, прочно связанных с минеральной частью почвы.

Гуминовые кислоты (от лат. humus — земля, почва), высокомолекулярные аморфные темноокрашенные органические вещества, строение которых окончательно не установлено. Г. к. содержатся в торфах (до 50%), в землистых бурых углях (до 60%); в плотных бурых и переходных углях содержание их меньше, а в выветрившихся бурых и каменных углях колеблется от нуля до 100% органические массы в зависимости от степени выветривания. В почвах максимальное количество Г. к. содержится в чернозёме (до 10%). Г. к. образуются при бактериальном разложении отмерших растительных остатков, а также при длительном воздействии кислорода атмосферы или пластовых вод на органические вещества.

Строение Г. к. определяется наличием слабоконденсированных и замещенных ароматических ядер, связанных между собой участками неароматического характера. В состав молекул входят карбоксильные и карбонильные группы, спиртовые и фенольные гидроксилы, иногда метоксильные группы. При действии щелочей на Г. к. образуются тёмные растворы, из которых при действии кислот и растворов солей металлов высшей валентности Г. к. осаждаются в виде набухших гелей. Г. к. способны к реакциям ионного обмена, образуют растворимые и нерастворимые гуматы. Г. к. являются мощным геохимическим агентом, способствующим разложению горных пород и минералов, концентрации, рассеянию и переотложению элементов в земной коре. Г. к. — основная часть органического вещества почвы (гумуса), которое обусловливает её плодородие.

Г. к. применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, для стабилизации глинистых суспензий при бурении скважин, как стимуляторы роста растении и компоненты органо-минеральных (гуминовых) удобрений

Фульвокислоты

— специфические органические кислоты почвенного гумуса, растворимые в воде и в минеральных кислотах, имеющие характерную плотность при E^0,001% порядка 0,001, содержание С 40-45% и отличающиеся высоким содержанием углеводов. Истинные Ф. выделяются методом Форсита на активированном угле и представлены 4-й фракцией, элюируемой с угля 0.1— 0,5) н. раствором NаОН.

Фульваты — соли фульвокислот.

Гумин ^[1] — органическое вещество, входящее в состав почвы, нерастворимое в кислотах, щелочах, органических растворителях.