Глава 4. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ И ЕГО СОСТАВ

 

§1. Источники органического вещества и его состав

 

Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом.

Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).

Растительный опад различается не только количественно, но и качественно (см. главу 2). Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.

Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO₂) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.

 В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород. Состав органического вещества можно представить следующим образом (рис.6).

 

 

 

§2. Трансформация органического вещества в почве

 

Превращение органических остатков в гумус – сложный биохимический процесс, совершающийся в почве при непосредственном участии микроорганизмов, животных, кислорода воздуха и воды. В этом процессе главная и решающая роль принадлежит микроорганизмам, которые участвуют во всех этапах образования гумуса, чему способствует огромная населенность почв микрофлорой. Животные, населяющие почву, тоже активно участвуют в превращении органических остатков в гумус. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, заглатывают, перерабатывают и выбрасывают неиспользованную часть в виде экскрементов в толщу почвы.

Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются процессам разложения до более простых соединений, конечной стадией которых является полная минерализация органического вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются растениями как элементы питания. Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал; достаточно хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; устойчивы – лигнин, смолы, воски. Другая часть продуктов разложения потребляется самими микроорганизмами (гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Процесс временного удержания органического вещества в микробной клетке называется микробным синтезом. Часть продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества – гумусовые вещества. Совокупность сложных биохимических и физико-химических процессов превращения органического вещества, в результате которых образуется специфическое органические вещество почвы – гумус, называется гумификацией. Все три процесса идут в почве одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Трансформация органического вещества происходит при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, корнями растений, под влиянием которых осуществляются биохимические реакции гидролиза, окисления, восстановления, брожения и т.д. и образуется гумус.

Существует несколько теорий гумусообразования. Первой в 1952 году появилась конденсационная теория, разработанная М.М.Кононовой. В соответствии с этой теорией образование гумуса идет как постепенный процесс поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ (сначала образуются фульвокислоты, а из них – гуминовые). Концепция биохимического окисления разработана Л.Н.Александровой в 70-е годы XX в. Согласно ей, ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления продуктов разложения, в результате которых образуется система высокомолекулярных гумусовых кислот переменного элементного состава. Гумусовые кислоты вступают во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, освобождающимися в процессе минерализации последних, а также с минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные гумусовых кислот. При этом происходит расщепление единой системы кислот на ряд фракций, различных по степени растворимости и строению молекулы. Менее дисперсная часть, образующая с кальцием и полуторными оксидами нерастворимые в воде соли, формируется как группа гуминовых кислот. Более дисперсная фракция, дающая преимущественно растворимые соли, образует группу фульвокислот. Биологические концепции гумусообразовапия предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р.Вильямсом, она получила развитие в работах Ф.Ю.Гельцера, С.П.Ляха, Д.Г.Звягинцева и др.

В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования неодинаковы и зависят от взаимосвязанных условий почвообразования: водно-воздушного и теплового режимов почвы, её гранулометрического состава и физико-химических свойств, состава и характера поступления растительных остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных условиях в зависимости от водно-воздушного режима. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в почве, благоприятной температуре и свободном доступе О₂ процесс разложения органических остатков развивается интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же условиях быстро идет минерализация как промежуточных продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и других почвах субтропиков).

В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, а также при низких температурах, недостатке О₂) процессы гумусообразования идут медленно при участии, главным образом, анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН₄, H₂S), угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, и органические остатки превращаются в торф – массу слаборазложившихся и неразложившихся растительных остатков, частично сохранивших анатомическую структуру. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве аэробных и анаэробных условий с чередованием периодов иссушение и увлажнения. Такой режим характерен для черноземов.

Видовой состав почвенных микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности также влияют на образование гумуса. Северные подзолистые почвы в результате специфических гидротермических условий характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с небольшим видовым разнообразием и низкой жизнедеятельностью. Следствием этого является медленное разложение растительных остатков и накопление слаборазложенного торфа. Во влажных субтропиках и тропиках отмечаются интенсивное развитие микробиологической деятельности и в связи с этим активная минерализация остатков. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с разным количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как очень слабая, так и высокая биогенность почвы не способствует накоплению гумуса. Наибольшее количество гумуса накапливается в почвах со средним содержанием микроорганизмов (черноземы).

Гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы имеют не менее значительное влияние. В песчаных и супесчаных хорошо прогреваемых и аэрируемых почвах разложение органических остатков идет быстро, значительная часть их минерализуется, гумусовые веществ мало и они плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при равных условиях происходит медленнее (из-за недостатка О₂), гумусовых вещества закрепляются на поверхности минеральных частиц и накапливаются в почве.

Химический и минералогический состав почвы определяет количество питательных веществ, необходимых для микроорганизмов, реакцию среды, в которой идет образование гумуса, и условия для закрепления гумусовых веществ в почве. Так, почвы, насыщенные кальцием, имеют нейтральную реакцию, которая благоприятна для развития бактерий и закрепления гуминовых кислот в виде нерастворимых в воде гуматов кальция, что обогащает ее гумусом. В кислой среде при насыщенности почв водородом и алюминием образуются растворимые фульвокислоты, которые имеют повышенную подвижность и ведут к большому накоплению гумуса. Закреплению гумуса в почве способствуют также глинистые минералы типа монтмориллонита и вермикулита.

В связи с различием в факторах, влияющих на образование гумуса, в разных почвах количество, качество и запасы гумуса неодинаковы. Так, в верхних горизонтах черноземов типичных содержится 10 – 14 % гумуса, серых темных лесных – 4 – 9 %, дерново-подзолистых – 2 – 3 %, темных каштановых, желтоземах – 4 – 5 %, бурых и серо-бурых полупустынных – 1 – 2 %. Запасы органического вещества в природных зонах также различны. Наибольшие запасы, по данным И.В.Тюрина, имеют различные подтипы черноземов, торфяники, серые лесные, средние – темно-каштановые, красноземы, низкие – подзолистые, дерново-подзолистые, сероземы типичные. В пахотных почвах Республики Беларусь содержится гумуса: в глинистых – 65 т/га, в суглинистых – 52 т/га, в супесчаных – 47 т/га, в песчаных – 35 т/га. Почвы Республики Беларусь в зависимости от содержания гумуса в пахотном слое делятся на 6 групп (табл. 3). В почвах других природных зон существуют свои градации в зависимости от содержания гумуса.

Таблица 3

Группировка почв Республики Беларусь по содержанию гумуса

Группы почв	Содержание гумуса	% органического вещества (от веса почвы)
I	очень низкое	< 1 %
II	низкое	1 – 1,5 %
III	среднее	1,5 – 2 %
IV	повышенное	2 – 2,5 %
V	высокое	2,5 – 3 %
VI	очень высокое	> 3 %

 

В Республике Беларусь большая часть земель относится к почвам II и III групп, около 20 % – к почвам IV группы (рис. 7).

 

§3. Состав и классификация гумуса

 

Гумус – это специфическое высокомолекулярное азотсодержащее органическое вещество кислотной природы. Составляет главную часть органического вещества почвы, которая полностью утратила черты анатомического строения отмерших растительных и животных организмов. Почвенный гумус состоит из специфических гумусовых веществ, включающих гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК) и гумин (см. рис. 6), которые отличаются по растворимости и экстрагируемости.

Гуминовые кислоты – это нерастворимые в воде, минеральных и органических кислотах темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие вещества. Они хорошо растворяются в щелочах с образованием коллоидных растворов темно-вишневой или коричнево-черной окраски.

При взаимодействии с катионами металлов гуминовые кислоты образуют соли – гуматы. Гуматы одновалентных металлов хорошо растворимы в воде и вымываются из почвы, а гуматы двух- и трехвалентных металлов в воде не растворяются и хорошо закрепляются в почвах. Средняя молекулярная масса гуминовых кислот равна 1400. Они содержат С – 52 – 62 %, Н – 2,8 – 6,6 %, О – 31 – 40 %, N – 2 – 6 % (по массе). Основные компоненты молекулы гуминовой кислоты – ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Ядро гуминовых веществ состоит из ряда ароматических циклических колец. Боковыми цепями могут быть углеводные, аминокислотные и другие цепочки. Функциональные группы представлены несколькими карбоксильными (–СООН) и фенолгидроксильными группами, которые играют важную роль в почвообразовании, так как обусловливают процессы взаимодействия гуминовых кислот с минеральной частью почвы. Гуминовые кислоты составляют наиболее ценную часть гумуса, они увеличивают поглотительную способность почвы, способствуют накоплению элементов почвенного плодородия и образованию водопрочной структуры.

Фульвокислоты – это группа гумусовых кислот, остающаяся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Это также высокомолекулярные органические азотсодержащие кислоты, в которых в отличие от гумусовых кислот содержится меньше углерода, но больше кислорода и водорода. Имеют светлую окраску (желтую, оранжевую), хорошо растворимы в воде. Соли (фульваты) также растворимы в воде и слабо закрепляются в почве. Фульвокислоты обладают сильнокислой реакцией, энергично разрушают минеральную часть почвы, вызывая развитие почвенного подзообразовательного процесса.

Соотношение между гуминовыми кислотами и фульвокислотами в разных почвах неодинаково. В зависимости от этого показателя (С_ГК : С_ФК) различают следующие типы гумуса: гуматный (> 1,5), гуматно-фульватный (1,5 – 1), фульватно-гуматный (1 – 0,5), фульватный (< 0,5). Качество гумуса, плодородие почвы зависят от преобладания той или иной группы. К северу и к югу от черноземов содержание гуминовых кислот в почвах уменьшается. Относительно высокое содержание фульвокислот наблюдается в гумусе подзолистых почв и красноземов. Можно сказать, что условия, благоприятствующие накоплению гумуса в почвах, способствуют и накоплению устойчивой и наиболее агрономически ценной его части – гуминовых кислот. Соотношение С_ГК : С_ФК имеет наибольшее значение (1,5 – 2,5) в гумусе черноземов, снижаясь к северу и к югу от зоны этих почв.  При интенсивном использовании пахотных земель без достаточного внесения органических удобрений наблюдается снижение как общего содержания гумуса (дегумификация), так и гуминовых кислот.

Гумин – это часть гумусовых веществ, которые не растворяются ни в одном растворителе, представлены комплексом органических веществ (гуминовые кислоты, фульвокислоты и их органо-минеральные производные), прочно связанных с минеральной частью почвы. Это инертная часть почвенного гумуса.

Специфичность и состав гумусовых комплексов служит основой классификации типов гумуса. Р.Е.Мюллером предложена классификация лесных форм гумуса как биологической системы взаимодействия органических веществ, микробиоты и растительности. Среди этих комплексов выделяются 3 типа гумуса.

Мягкий гумус – муль образуется в лиственных или смешанных лесах с интенсивной деятельностью почвенной фауны при благоприятных гидротермических условиях и наличии достаточного количества оснований, прежде всего кальция, в подстилках и почвах, имеет слабокислую реакцию, равномерно пропитывает минеральную часть почвы и легко подвергается минерализации. В мулевых почвах почти не накапливается подстилка, так как поступающий опад энергично разлагается микробиотой. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты.

Грубый гумус – мор, содержащий большое количество полуразложившихся остатков, характерен для хвойных лесов, образуется при малом содержании зольных элементов в опаде, недостатке оснований и высоком содержании кремнезема в почве, имеет кислую реакцию, устойчив к воздействию микроорганизмов, минерализуется медленно при участии грибов. В результате медленного развития процессов гумификации и минерализации в почвах образуется мощный подстилочный торфообразный горизонтA₀, состоящий из 3 слоев: а) слоя слаборазложившегося органического вещества (L), представляющего собой свежий опад, б) полуразложившегося ферментационногослоя (F), в) гумифицированного слоя (H).

Промежуточная форма – модер развивается в условиях достаточно быстрой минерализации растительных остатков, где значительную роль играет функциональная деятельность почвенных животных, измельчающих растительные остатки, что значительно облегчает их последующее разложение почвенной микрофлорой.

 

§4. Значение и  баланс гумуса почвы

 

Накопление гумуса является результатом почвообразовательного процесса, одновременно сами гумусовые вещества оказывают большое влияние на дальнейшее направление процесса почвообразования и свойства почвы. Функции гумуса в почве очень разнообразны:

1) формирование специфического почвенного профиля (с горизонтом А), образование структуры почв, улучшение водно-физических свойств почвы, увеличение поглотительной способности и буферности почв;

2) источник минеральных элементов питания для растений (N, P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы), источник органического питания гетеротрофных почвенных организмов, источник СО₂ в приземном слое атмосферы и биологически активных соединений в почве, что непосредственно стимулирует рост и развитие растений, мобилизирует элементы питания, влияет на биологическую активность почвы;

3) выполняет санитарно-защитные функции – ускоряет разрушение пестицидов, закрепляет загрязняющие вещества, снижая поступление их в растения.

В связи с разнообразной ролью органического вещества в плодородии почв актуальное значение приобретает проблема гумусового баланса пахотных почв. Как и любой баланс, гумусовый баланс включает статьи прихода (поступление органических остатков и их гумификация) и расхода (минерализация и другие потери). В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее: баланс положительный или нулевой, в пахотных почвах чаще – отрицательный. В среднем пахотные почвы теряют около 1 т/га гумуса в год. Для регулирования количества гумуса применяют систематическое внесение достаточного количества органического вещества в виде навоза (из 1 т навоза образуется ≈ 50 кг гумуса), торфяных компостов, посев многолетних трав, применение зеленых удобрений (сидератов), известкование кислых почв и гипсование щелочных.

Гумусное состояние почв служит важным показателем плодородия и определяется системой показателей, включающих уровень содержания и запасы органического вещества, его профильное распределение, обогащенность азотом (С : N) и кальцием, степень гумификации, типы гумусовых кислот и их соотношение. Отдельные его параметры служат объектом мониторинга окружающей среды.