Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы — это сложная система всех органических веществ, присутствующих в профиле в свободном состоянии или в форме органоминеральных соединений, исключая те, которые входят в состав живых организмов.

Главным источником органического вещества почвы являются остатки растений и животных на разных стадиях разложения. Наибольший объем биомассы поступает за счет опавших растительных остатков, значительно меньше вклад беспозвоночных и позвоночных животных и микроорганизмов, однако они играют важную роль в обогащении органического вещества азотсодержащими компонентами.

Органическое вещество почвы по своему происхождению, характеру и функциям делится на две группы: органические остатки и гумус. В качестве синонима термина «гумус» иногда используют термин «перегной».

Органические остатки представлены главным образом наземным и корневым опадом высших растений, который не утратил своего анатомического строения. Химический состав растительных остатков различных ценозов варьирует в широких пределах. Общим для них является преобладание углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнина, белков и липидов. Весь этот сложный комплекс веществ после отмирания живых организмов поступает в почву и трансформируется в минеральные и гуминовые вещества, а частично выносится из почвы с грунтовыми водами, возможно, до нефтеносных горизонтов.

Разложение органических остатков почвы включает механическое и физическое разрушение, биологическую и биохимическую трансформацию и химические процессы. В разложении органических остатков большая роль принадлежит ферментам, почвенным беспозвоночным животным, бактериям и грибам. Ферменты — это структурированные белки, имеющие множество функциональных групп. Основным источником ферментов являются; растения. Выполняя в почве роль катализаторов, ферменты в миллионы раз ускоряют процессы распада и синтеза органических веществ.

Гумус представляет собой совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, кроме входящих в состав живых организмов и органических остатков, сохранивших анатомическое строение.

В составе гумуса выделяют неспецифические органические соединения и специфические — гуминовые вещества.

Неспецифическими называется группа органических веществе известной природы и индивидуального строения. Они поступают в почву из разлагающихся растительных и животных остатков и с корневыми выделениями. Неспецифические соединения представлены практически всеми компонентами, составляющими животные и растительные ткани и прижизненные выделения макро — и микроорганизмов. К ним относятся лигнин, целлюлоза, протеины, аминокислоты, моносахариды, воск и жирные кислоты.

В целом доля неспецифических органических соединений не превышает 20 % от суммарного количества почвенного гумуса. Неспецифические органические соединения представляют собой продукты разной степени разложения и гумификации поступающего в почву растительного, животного и микробного материала. Эти соединения определяют динамику быстро меняющихся свойств почвы: окислительно-восстановительного потенциала, содержания подвижных форм питательных элементов, численности и активности почвенных микроорганизмов, состава почвенных растворов. Гуминовые вещества, напротив, обусловливают стабильность во времени иных свойств почвы: емкости обмена, водно-физических свойств, воздушного режима и окраски.

Специфическая органическая часть почвы — гуминовые вещества — представляют собой неоднородную (гетерогенную) полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. Гуминовые вещества образуются в результате сложного биофизико-химического процесса трансформации (гумификации) продуктов разложения органических остатков, попадающих в почву.

В зависимости от химического состава растительных остатков, факторов их разложения (температура, влажность, состав микроорганизмов) выделяют два основных типа гумификации: фульватный и гуматный. Каждому из них соответствует определенный фракционно-групповой состав гумуса. Под групповым составом гумуса понимается набор и содержание различных веществ, родственных по строению и свойствам соединений. Важнейшими группами являются гуминовые кислоты (ГК) и фульвокислоты (ФК).

Гуминовые кислоты содержат 46 — 62% углерода (С), 3 — 6% азота (N), 3—5 % водорода (Н) и 32—38 % кислорода (О). В составе фульвокислот углерода больше — 45—50 %, азота — 3,0—4,5 % и водорода — 3—5 %. Гуминовые и фульвокислоты практически всегда содержат серу (до 1,2%), фосфор (десятки и сотни долей процента) и катионы различных металлов.

В составе групп ГК и ФК выделяют фракции. Фракционный состав гумуса характеризует набор и содержание различных веществ, входящих в группы ГК и ФК, по формам их соединений с минеральными компонентами почвы. Наибольшее значение для почвообразования имеют следующие фракции: бурых гуминовых кислот (БГК), связанных с полуторными оксидами; черных гуминовых кислот (ЧГК), связанных с кальцием; фракции I и Iа фульвокислот, связанных с подвижными формами полуторных оксидов; ГК и ФК, прочно связанных с полуторными оксидами и глинистыми минералами.

Групповой состав гумуса характеризует количественное соотношение гуминовых кислот и фульвокислот. Количественной мерой типа гумуса служит отношение содержания углерода гуминовых кислот (С_гк) к содержанию углерода фульвокислот (С_фк). По величине этого отношения (С_гк/С_фк) можно различить четыре типа гумуса:

• — гуматный — более 2;
• — фульватно-гуматный — 1—2;
• — гуматно-фульватный — 0,5—1,0;
• — фульватный — менее 0,5.

Групповой и фракционный состав гумуса закономерно и последовательно меняется в зонально-генетическом ряду почв. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах гуминовые кислоты почти не образуются и накапливается их мало. Отношение С_гк/С_фк обычно менее 1 и чаще всего составляет 0,3—0,6. В серых почвах и чернозёмах абсолютное содержание и доля гуминовых кислот значительно выше. Отношение С_гк/С_фк в чернозёмах может достигать 2,0—2,5. В почвах, расположенных к югу от чернозёмов, постепенно вновь увеличивается доля фульвокислот.

Избыточное увлажнение, карбонатность породы, засоление накладывают отпечаток на групповой состав гумуса. Дополнительное Увлажнение обычно способствует накоплению гуминовых кислот. Повышенная гуматность свойственна также почвам, формирующимся на карбонатных породах или под влиянием жестких грунтовых вод.

Групповой и фракционный составы гумуса изменяются и по профилю почв. Фракционный состав гумуса различных горизонтов зависит от минерализации почвенного раствора и величины pH. Профильные изменения группового состава гумуса в большинстве

почв подчинены одной общей закономерности: с глубиной снижается доля гуминовых кислот, нарастает доля фульвокислот, отношение С_гк/С_фк уменьшается до 0,1—0,3.

Глубина гумификации, или степень превращения растительных остатков в гуминовые вещества, а также отношение С_гк/С_фк зависят от скорости (кинетики) и длительности процесса гумификации. Кинетика гумификации определяется почвенно-химическими и климатическими характеристиками, стимулирующими или тормозящими деятельность микроорганизмов (элементы питания, температура, pH, влажность), и подверженностью растительных остатков трансформации в зависимости от молекулярного строения вещества (легче преобразуются моносахариды, протеины, труднее — лигнин, полисахариды).

В гумусовых горизонтах почв умеренного климата тип гумуса и глубина гумификации, выражаемая отношением С_гк/С_фк коррелируют с продолжительностью периода биологической активности.

Период биологической активности — это промежуток времени, в течение которого создаются благоприятные условия для нормальной вегетации растений, активной микробиологической деятельности. Продолжительность периода биологической активности определяется по длительности периода, в течение которого температура воздуха устойчиво превышает 10 °С, а запас продуктивной влаги составляет не менее 1—2 %. В зональном ряду почв величина С_гк/С_фк, характеризующая глубину гумификации, соответствует продолжительности периода биологической активности.

Одновременный учет двух факторов — периода биологической активности и насыщенности почв основаниями, дает возможность определить области формирования различных типов гумуса. Гуматный гумус образуется только при продолжительном периоде биологической активности и высокой степени насыщенности почв основаниями. Такое сочетание условий характерно для черноземов. Сильнокислые почвы (подзолы, дерново-подзолистые почвы) независимо от периода биологической активности имеют фульватный гумус.

Гуминовые вещества почвы обладают высокой реакционной способностью и активно взаимодействуют с минеральной матрицей. Под влиянием органических веществ разрушаются неустойчивые минералы материнской породы и химические элементы становятся доступнее для растений. В процессе органо-минеральных взаимодействий образуются почвенные агрегаты, что улучшает структурное состояние почвы.

Фульвокислоты наиболее активно разрушают почвенные минералы. Взаимодействуя с полуторными оксидами (Fe₂O₃ и Al₂O₃), ФК образуют подвижные алюмо- и железо-гумусовые комплексы (фульваты железа и алюминия). С этими комплексами связано образование иллювиально-гумусовых почвенных горизонтов, в которых они осаждаются. Фульваты щелочных и щелочноземельных оснований хорошо растворимы в воде и легко мигрируют вниз по профилю. Важная особенность ФК — их неспособность закреплять кальций. Поэтому известкование кислых почв приходится проводить регулярно, через 3—4 года.

Гуминовые кислоты в противоположность ФК образуют с кальцием плохо растворимые органоминеральные соединения (гуматы кальция). Благодаря этому в почвах формируются гумусово-аккумулятивные горизонты. Гуминовые вещества почвы связывают ионы многих потенциально токсичных металлов — Al, Pb, Cd, Ni, Co, что снижает опасное влияние химического загрязнения почв.

Процессы гумусообразования в лесных почвах имеют свои особенности. Подавляющая часть растительного опада в лесу поступает на поверхность почвы, где создаются особые условия разложения органических остатков. С одной стороны, это свободный доступ кислорода и отток влаги, с другой — влажный и прохладный климат большое содержание в опаде трудноразлагающихся соединений, быстрая потеря за счет вымывания оснований, освобождающихся при минерализации опада. Такие условия влияют на жизнедеятельность почвенных животных и микрофлоры, играющую важную роль в процессах превращения органических остатков: измельчении, перемешивании с минеральной частью почвы, биохимической переработке органических соединений.

В результате разнообразных сочетаний всех факторов разложения органических остатков формируется три типа (формы) органического вещества лесных почв: мулль, модер, мор. Под формой органического вещества лесных почв понимается вся совокупность органических веществ, содержащихся как в лесной подстилке, та и в гумусовом горизонте.

При переходе от мора к модеру и муллю изменяются свойств органического вещества почвы: уменьшается кислотность, увеличиваются зольность, степень насыщенности основаниями, содержание азота, интенсивность разложения лесной подстилки. В почва с муллевым типом в подстилке содержится не более 10% общего запаса органического вещества, а при типе мор на долю подстилки приходится до 40 % его общего запаса.

При формировании органического вещества типа мор образуется мощная трехслойная подстилка, которая хорошо отделяется о нижележащего минерального горизонта (обычно горизонтов Е, EI, AY). В разложении подстилки принимает участие преимуществен но грибная микрофлора. Дождевые черви отсутствуют, реакция сильнокислая. Лесная подстилка имеет следующее строение:

O_L — верхний слой мощностью около 1 см, состоящий из опада сохранившего анатомическое строение;

О_F — средний слой различной мощности, состоящий из полуразложившегося опада светло-бурого цвета, переплетенный гифами грибов и корнями растений;

Oh — нижний слой сильноразложившегося опада, темно-бурого почти черного цвета, мажущийся, с заметной примесью минеральных частиц.

При типе модер лесная подстилка состоит обычно из двух слоев. Под слоем слаборазложившегося опада выделяется хорошо разложившийся перегнойный слой мощностью около 1 см, постепенна переходящий в ясно выраженный гумусовый горизонт мощность 7—10 см. В разложении подстилки важную роль играют насекомые дождевые черви принимают незначительное участие. В составе микрофлоры грибы преобладают над бактериями. Органическое вещество перегнойного слоя частично перемешано с минеральной частью почвы. Реакция подстилки слабокислая. В лесных почвах избыточного увлажнения процессы разложения растительного опада заторможены и в них образуются торфяные горизонты. На накопление и скорость разложения органического вещества лесных почв влияет состав исходных растительных остатков. Чем больше в растительных остатках лигнина, смол, дубильных веществ и чем меньше азота, тем медленнее протекает процесс разложения и тем больше накапливается в подстилке органических остатков.

На основании определения состава растений, из опада которых образовалась подстилка, предложена классификация лесных подстилок. По Н. Н. Степанову (1929), можно выделить следующие виды подстилок: хвойные, мелколиственные, широколиственные, лишайниковые, зеленомоховые, мохотравяные, травяные, долгомошниковые, сфагновые, влажно-травяные, травяно-болотные и широкотравные.

Гумусное состояние почв — это совокупность общих запасов и свойств органических веществ, создающаяся процессами их накопления, трансформации и миграции в почвенном профиле и отображающаяся в наборе внешних признаков. Система показателей гумусного состояния включает содержание и запасы гумуса, его профильное распределение, обогащенность азотом, степень гумификации и типы гуминовых кислот.

Уровни накопления гумуса хорошо согласуются с продолжительностью периода биологической активности.

В составе органического углерода прослеживается закономерное увеличение запасов гуминовых кислот с севера на юг.

Почвы арктической зоны характеризуются низким содержанием и небольшими запасами органического вещества. Процесс гумификации проходит в крайне неблагоприятных условиях при низкой биохимической активности почв. Для почв северной тайги характерен непродолжительный период (около 60 дней) и низкий уровень биологической активности, а также бедный видовой состав микрофлоры. Процессы гумификации идут замедленно. В зональных почвах северной тайги формируется грубогумусный тип профиля. Гумусово-аккумулятивный горизонт в этих почвах практически отсутствует, содержание гумуса под подстилкой — до 1 —2%.

В подзоне дерново-подзолистых почв южной тайги количество солнечной радиации, режим увлажнения, растительный покров, богатый видовой состав почвенной микрофлоры и ее более высокая биохимическая активность в течение довольно продолжительного периода способствуют более глубокой трансформации растительных остатков. Одной из основных особенностей почв подзоны южной тайги является развитие дернового процесса. Мощность аккумулятивного горизонта небольшая и обусловлена глубиной проникновения основной массы корней травянистой растительности. Среднее содержание гумуса в горизонте AY в лесных дерново-подзолистых почвах колеблется от 2,9 до 4,8 %. Запасы гумуса в этих почвах небольшие и составляют в зависимости от подтипа почвы и гранулометрического состава от 17 до 80 т/га в слое 0—20 см.

В лесостепной зоне запасы гумуса в слое 0—20 см колеблются от 70 т/га в серых почвах до 129 т/га в темно-серых. Запасы гумуса в чернозёмах лесостепной зоны в слое 0—20 см составляют до 178 т/га, а в слое 0—100 см — до 488 т/га. Содержание гумуса в горизонте А чернозёмов достигает 7,2 %, постепенно уменьшаясь с глубиной.

В северных районах европейской части России значительное количество органического вещества сосредоточено в торфяных почвах. Болотные ландшафты располагаются главным образом в лесной зоне и тундре, где осадки значительно превышают испаряемость. Особенно велика заторфованность на севере тайги и в лесотундре. Самые древние торфяные месторождения, как правило, занимают озерные котловины с возрастом сапропелевых отложений до 12 тыс. лет. Начальное отложение торфа в таких болотах происходило примерно 9—10 тыс. лет назад. Наиболее активно торф начал откладываться в период около 8—9 тыс. лет назад. Встречаются иногда торфяные отложения возрастом около 11 тыс. лет. Содержание ГК в торфе колеблется от 5 до 52 %, увеличиваясь при переходе от верхового торфа к низинному.

С содержанием гумуса связано многообразие экологических функций почвы. Гумусовый слой образует особую энергетическую оболочку планеты, называемую гумосферой. Энергия, накапливаемая в гумосфере, является основой существования и эволюции жизни на Земле. Гумосфера выполняет следующие важные функции: аккумулятивную, транспортную, регуляторную, протекторную, физиологическую.

Аккумулятивная функция характерна для гуминовых кислот (ГК). Ее сущность заключается в накоплении в составе гуминовых веществ важнейших элементов питания живых организмов. В форме Аминовых веществ в почвах накапливается до 90—99 % всего азота более половины фосфора и серы. В этой форме аккумулируются и сохраняются длительное время калий, кальций, магний, желе — 30 и практически все необходимые растениям и микроорганизмам и микроэлементы.

Транспортная функция связана с тем, что гуминовые вещества Могут образовывать с катионами металлов устойчивые, но растворимые и способные к геохимической миграции комплексные органоминеральные соединения. Активно мигрируют в такой форме большинство микроэлементов, значительная часть соединений фосфора и серы.

Регуляторная функция обусловлена тем, что гуминовые веществ принимают участие в регулировании практически всех важнейшие почвенных свойств. Они формируют окраску гумусовых горизонтов и на этой основе их тепловой режим. Гумусированные почвы всея да значительно теплее почв, содержащих мало гуминовых веществ. Гуминовые вещества играют важную роль в образовании почвенной структуры. Они участвуют в регулировании минерального питания растений. Органическое вещество почвы используется ее обитателями в качестве основного источника пищи. Около 50 % азота растения берут из почвенных запасов.

Гуминовые вещества могут растворять многие почвенные минералы, что приводит к мобилизации некоторых труднодоступных растениям элементов минерального питания. От количества свойств гуминовых веществ в почвах зависят емкость катионного обмена, ионно-солевая и кислотно-основная буферность почв окислительно-восстановительный режим. С содержанием гумуса его групповым составом тесно связаны физические, водно-физические и физико-механические свойства почв. Хорошо гумусированные почвы лучше оструктурены, в них разнообразнее видовой состав микрофлоры, больше численность беспозвоночных животных. Такие почвы более водопроницаемы, легче поддаются механической обработке, лучше удерживают элементы пищевого режима растений, обладают высокой емкостью поглощения и буферностью, в них выше эффективность минеральных удобрений.

Протекторная функция связана с тем, что гуминовые вещества почвы защищают или сохраняют почвенную биоту, растительный покров в случае возникновения различного рода неблагоприятных экстремальных ситуаций. Гумусированные почвы лучше противостоят засухе или переувлажнению, они меньше подвержены эрозии дефляции, дольше сохраняют удовлетворительные свойства при орошении повышенными дозами или минерализованными водами.

Богатые гуминовыми веществами почвы выдерживают более высокие техногенные нагрузки. При равных условиях загрязнения почв тяжелыми металлами их токсическое действие на растений на чернозёмах проявляется в меньшей мере, чем на дерновое подзолистых почвах. Гуминовые вещества довольно прочно связывают многие радионуклиды, пестициды, предупреждая тем самый их поступление в растения или другое отрицательное воздействие.

Физиологическая функция состоит в том, что гуминовые кислоты и их соли могут стимулировать прорастание семян, активизировать дыхание растений, повышать продуктивность крупного рогатого скота, птицы.