Ведущий фактор плодородия разных типов почвы — гумус. Что такое гумус? Что такое гумус почвы: состав и свойства удобрения Запасы гумуса в почвах разных типов

Содержание гумуса в почвах, его типы, роль в почвообразовании и плодородии (расчёты запасов гумуса в почвах и их оценка по Орлову)

Каждая почва состоит из органических, минеральных и органоминеральных комплексных соединений. Органические соединения почвы формируются в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Неразложившиеся остатки растений и животных, которые видны в образце почвы невооруженным глазом или под лупой, составляют 5-10% общего содержания органического вещества неживой фазы большинства почв. Часть их полностью распадается до углекислоты, воды и простых солей в процессах минерализации. Другая часть преобразуется в сложные специфические органические вещества, называемые гумусовыми веществами. Совокупность специфических и неспецифических органических веществ, растительных и животных остатков разной степени разложения, кроме тех, которые еще не утратили тканевого строения, получило название гумуса или перегноя.

Гумус - основная часть органического вещества почвы, полностью утратившая черты анатомического строения организмов. Гумус определяет плодородие почвы, причем важно не только его количественное содержание в почве, но и его качественный состав.

Гумус состоит из 2 больших групп веществ:

1) неспецифические органические соединения, которые могут быть выделены из почвы, идентифицированы и количественно определены (сахара, аминокислоты, белки, органические основания, дубильные вещества, органические кислоты и т. п.). В большинстве минеральных почв составляют единицы процентов общего содержания органического вещества;

2) специфические гумусовые соединения - наиболее характерная специфическая часть, составляющая приблизительно 80-90 % общего содержании органического вещества в большинстве минеральных почв.

Гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, объединенных общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения. Гумусовые вещества по растворимости и экстрагируемости делят на большие группы: фульвокислоты (ФК), гуминовые кислоты (ГК) и гумин; иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот.

Фульвокислоты - наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая, высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты имеют более светлую окраску, чем вещества других групп. Преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты - нерастворимая в минеральных и органических кислотах группа гумусовых соединений. Имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых.

Гумин - неэкстрагируемая часть гумуса. Представлена двумя типами соединений: гумусовыми веществами, наиболее прочно связанными с глинистыми минералами (глиногумусовый гумин); частично разложившимися растительными остатками, утратившими анатомическое строение и обогащенными наиболее устойчивыми компонентами, прежде всего лигнином (детритный гумин)

Гиматомелановые кислоты - группа гумусовых веществ с промежуточными свойствами между фульвокислотами и гуминовыми кислотами. Ранее включались в группу гуминовых кислот. Отличаются от последних растворимостью в полярных органических растворителях и другими свойствами.

Содержание гумуса в верхних горизонтах разных почв варьирует в широких пределах - от 0,5-1 до 10-12 % и более. Сельскохозяйственное использование в условиях низкой культуры земледелия приводит к снижению уровня гумусированности. Соотношение между гуминовыми и фульвокислотами определяет качественную характеристику гумуса разных типов почв. Обычно учитывается, прежде всего, отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот. В том случае, когда это отношение меньше 1, гумус называют фульватным, а когда отношение больше 1 - гуматным. В природном почвообразовании складывается закономерность, согласно которой при наиболее благоприятных условиях гумусонакопления формируется 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 почве определяют уровень её потенциального и эффективного плодородия. Запасы гумуса в почве принято выражать в тоннах на гектар (т/га) и рассчитывать в слое 0-20 (пахотный) и 0-100 см.

ЗГ (т/га) = гумус (%) h d,

где гумус (%) - содержание гумуса в слое почвы, %;

h - мощность (толщина) слоя почвы, см;

d - плотность слоя почвы, г/см 3 .

Таблица 15. Оценка запасов гумуса в почве (по Д.С. Орлову, Л.А. Гришиной)

I. Лугово-черноземные почвы:

Таблица 16. Расчет запасов гумуса в лугово-черноземных почвах

Запасы гумуса в пахотном слое (0-20 см) очень высокие.

Запасы гумуса в метровом слое (0-100 см) высокие.

Лугово-черноземные почвы являются высокогумусными. Характеризуются глубоким проникновением гумуса по профилю, содержание которого постепенно снижается.

II. Черноземы оподзоленные:

Таблица 17. Расчет запасов гумуса в черноземах оподзоленных

Запасы гумуса в пахотном слое (0-20 см) высокие.

Запасы гумуса в метровом слое (0-100 см) средние.

Оподзоленные черноземы являются высоко- и среднегумусными. Изменение содержания гумуса по профилю происходит в них более плавно, чем в лугово-черноземных почвах.

Содержание гумусовых веществ в почвах является характерным генетическим и классификационным признаком для каждого из известных типов почв. Изменение содержания перегноя в почвах происходит крайне медленно, являясь результатом не временных обстоятельств, а сложной и длительной предшествующей истории почвообразовательного процесса и взаимодействия почвы с внешней средой. Для каждого почвенного типа установлено определенное стабильное содержание гумуса в верхних горизонтах почвы и устойчивый тип распределения его запасов по профилю. Каждый тип почв вместе с тем характеризуется определенным качественным составом гумуса: соотношением гуминовых кислот и фульвокислот, строением их молекул и формами их органо-минеральных соединений (табл. 53).

Для черноземных почв типично содержание гумуса в количестве 8-10% в верхнем горизонте и медленное, постепенное уменьшение в нижних горизонтах. Мощность гумусовых горизонтов в черноземных почвах составляет не менее 1-1,5 м, а в черноземах Украины и Кубани достигает иногда 2 м и больше.
Почвы пустынных степей - сероземы - содержат, ничтожное количество гумуса - 1-2%, резко уменьшаясь при переходе от верхних горизонтов почвы к нижним, при этом мощность гумусовых горизонтов в них не превышает 30-40 см. А в такырах - типичных почвах глинистых пустынь - гумус содержится лишь в верхнем корковом микрогоризонте в количестве 0,5-1%. Органическое вещество почв пустыни и полупустыни и по химическому составу резко отличается от органического вещества черноземов. Если в составе гумуса черноземных почв преобладают гумины и соединения гуминовой кислоты, то в сероземных и такырных почвах заметная роль принадлежит соединению фульвокислот. Соответственно и окраска гумусовых горизонтов почв пустыни отличается от окраски черноземов.
В дерново-подзолистых и подзолистых почвах, расположенных к северу от черноземов, содержание гумуса и мощность гумусовых горизонтов также резко уменьшаются. Верхние горизонты дерново-подзолистых и подзолистых почв содержат от 1 до 5% гумуса, нижележащие горизонты, затронутые подзолообразовательным процессом, содержат лишь десятые доли процента гумуса и отличаются вследствие этого белесой светло-серой окраской. Органические вещества здесь представлены соединениями фульвокислот, характеризующимися высокой подвижностью.
Значительно содержание гумуса в дерново-луговых, пойменных и дельтовых почвах (до 12-14%), а также в горно-луговых почвах, где оно иногда достигает 15-25%. Однако мощность гумусовых горизонтов дерново-луговых и горно-луговых почв обычно невелика.
В географическом распределении гумусовых веществ в почвах устанавливается определенная закономерность (рис. 60). Максимальной величины накопление гумуса достигает в типичных мощных черноземах. Здесь складываются наиболее благоприятные гидротермические и биохимические условия, обеспечивающие высокую продукцию свежего органического вещества, умеренную активность микроорганизмов, консервацию и сохранение гумуса в почвах.

К югу и северу от черноземной зоны сочетание гидротермических и биохимических условий неблагоприятно как для синтеза перегноя, так и для его накопления и сохранения. В полупустынных и пустынных зонах годовая продукция растительной массы никогда не достигает больших величин. Вместе с тем органическое вещество здесь быстро минерализуется. К северу от черноземной зоны отмечается преимущественное накопление фульвокислот, отличающихся большой подвижностью и не аккумулирующихся в почвах. В северных зонах России при высокой кислотности и заболоченности почв происходит накопление полуразложившегося и неразложившегося органического вещества в виде торфа.
М.М. Кононова показала, что природа гумуса различных типов почв глубоко различна. Основываясь на содержании гумуса в верхнем горизонте, на отношении Сгк:СфК, на количестве подвижных гумусовых кислот и их оптической плотности2 (E4:E5), М.М. Кононова различает три типа гумуса (см. табл. 53).
Первый тип отличается резким преобладанием фульвокислот (Сгк:СфК колеблется в пределах 0,5-0,8), почти стопроцентной подвижностью гумусовых кислот и большой величиной их цветового коэффициента (E4:Е6 = 4,5; 5,5). Последнее свидетельствует о слабой конденсированности ароматического ядра и близости к фульвокислотам. Высокие гидрофильность и дисперсность гумусовых кислот обусловливают склонность к образованию внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами и способность передвижения внутри почвенного профиля в водных растворах. Агрессивность и мобильность гумуса первого типа способствует развитию процессов элювиирования, подзолообразования, фераллитизации, аллитизации.
Второй тип гумуса, гумус черноземов, темных луговых и темно-каштановых почв, характеризуется превалированием гумусовых кислот (отношение Cгк:Сфк=1,5-2,5). Подвижные формы гумусовых кислот составляют 10-20% общего содержания. Гумусовым кислотам второго типа гумуса свойственны низкие значения цветового коэффициента (3,5-4). В молекулах гумусовых кислот этого типа ароматические структуры преобладают над алифатическими, что обусловливает их гидрофоб-ность, низкий порог коагуляции и неспособность к образованию внутрикомплексных соединений с железом, алюминием и другими катионами. Все это обусловливает инертность гумуса второго типа.
Третий тип гумуса (гумус бурых полупустынных почв), подобно первому типу, имеет фульвокислотный состав (Сгк:СфК колеблется в пределах 0,5-0,7), образование гуминовых кислот заторможено; оптическая плотность гуминовых кислот низкая (E4:E6 около 4,5); в отличие от первого типа гумуса в составе третьего типа гумуса гумусовые кислоты бурых полупустынных почв почти нацело (90%) соединены с минеральной частью почвы. Образование гумуса сопровождается почти полной нейтрализацией гумусовых кислот, прежде всего кальцием и магнием, которые присутствуют в этих почвах в большом количестве. Видимо, этим можно объяснить слабое воздействие гумусовых кислот на минеральную часть почвы. Гумус серых лесных почв занимает промежуточное положение между гумусом первого и второго типов, гумус светло-каштановых почв - между гумусом второго и третьего типов.
В зарубежной литературе широко применяется характеристика гумуса по морфологии. Она непременно дается при описании других морфологических свойств и учитывается при определении названия почв, их генетической принадлежности. При этом используются термины „мор“, „модер“ и „мюль“, впервые предложенные Мюллером для характеристики типа подстилки. В настоящее время их применяют при определении типа органического вещества подстилки и перегнойно-аккумулятивного горизонта. Классификацию типов гумуса по морфологии и характерным признакам предложил Дюшофур. В зависимости от условий образования гумус делят на две категории - образовавшийся в условиях аэробиозиса и в условиях анаэробиозиса.
В хорошо дренируемых почвах различают четыре типа гумуса.
Кальциевый мюль - гумус черноземов, каштановых, перегнойно-карбонатных и ряда других почв, сформировавшихся под травянистой растительностью на породах, обогащенных известью. Мюль - «сладкий» гумус - хорошо гумифицированное органическое вещество, образовавшееся в условиях повышенной биологической активности при трансформации растительных остатков беспозвоночными животными и бактериями. Для него характерна нейтральная реакция, С:N=10, полное включение органической массы в минеральный профиль, образование устойчивых органо-минеральных комплексов.
Лесной мюль - гумус лиственных лесов и пахотных почв после сведения лиственных лесов. По морфологии лесной мюль не отличается от кальциевого, но имеет меньшую степень насыщенности, pH около 5,5, отличается преобладанием бурых гуминовых кислот, отношением С:N от 10 до 20.
Модер - переходный тип гумуса от мюля к мору - гумус дерново-подзолистых, лёссивированных, горно-луговых и пахотных почв после сведения смешанных лесов. Модер включает в себя подстилку мощностью 2-3 см и перегнойно-аккумулятивный горизонт. Степень гумификации средняя, преобладают бурые гуминовые кислоты. В трансформации растительных остатков участвуют антроподы и ацидофильные грибы, биологическая активность разложения растительных остатков средняя. Отношение C:N порядка 15-25. Органо-минеральные комплексы непрочные, контакт с минеральной частью почв неполный.
Mop - гумус почв хвойных лесов и вересковых зарослей. Mop - грубый кислый гумус - формируется в условиях низкой биологической активности, где заторможены процессы минерализации органического вещества. В трансформации растительных остатков принимают преимущественное участие ацидофильные грибы, при очень низкой активности беспозвоночных животных. В этих условиях накапливается мощная подстилка, в которой отчетливо выделяются три подгоризонта:
A0L - растительные остатки, сохранившие свою морфологию;
A0F - полуразложившиеся растительные остатки, переплетенные гифами грибов;
A0H - аморфное органическое вещество, почти не связанное с минеральной частью почвы.
Величина С: N для гумуса типа мор всегда больше 20, часто 30-40. Контакт с минеральной частью почвы очень слабый.
Для почв, формирующихся в анаэробных условиях, Дюшофур выделяет три типа гумуса: кальциевый торф, кислый торф и анмоор. Первые два типа фактически аналогичны торфяным горизонтам почв низинных и верховых болот. Термин „анмоор“ введен Кубиеной для характеристики органического вещества почв переменного увлажнения, оглеенных и глеевых почв. В формировании антмоора принимают участие водная фауна в период насыщения водой и аэробная в период аэробиозиса. Относительно высокой биологической активностью объясняется хорошее перемешивание органических и минеральных веществ. Степень гумификации слабая - гумифицировано меньше 30% органического вещества. Величина С:N больше 20. В то же время контакт гумифицированных веществ с минеральной частью почвы достаточно тесный. Типы гумуса в свою очередь подразделяются на ряд подтипов.
На основе приведенной классификации типов гумуса возможна расшифровка микроформ органического вещества в шлифах почв.

Гумус, состав - Гумус - это сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении органических остатков. Содержание гумуса в почвах определяется условиями и характером почвообразовательного процесса; оно колеблется в верхних горизонтах от 1 - 2 до 12 - 15%, резко или постепенно уменьшаясь с глубиной.

В составе почвенного гумуса выделяют специфическую часть (85 - 90 % всего гумуса), представленную гумусовыми веществами, и неспецифическую часть (10 - 15%), представленную негумифицированными органическими веществами. Последние по своему составу могут, быть весьма разнообразны и включать: азотистые соединения (белки, ферменты, аминокислоты), углеводы (моносахариды, олигосахариды, полисахариды), липиды (жиры, воски, фосфолипиды), дубильные вещества (таннины, галловая кислота, флобафены и другие полифенолы), органические кислоты; кроме того, лигнины, смолы, спирты, альдегиды.

Гумусовые вещества почвы представлены гуминовыми и фульвокислотами, а также гуминами.

Гуминовые кислоты - это высокомолекулярные азотсодержащие (до 3 - 6%) органические кислоты, имеющие циклическое строение, не растворимые в воде и минеральных кислотах, но растворимые в слабых щелочах и некоторых органических растворителях.

Гуминовые кислоты состоят из углерода (50 - 62%), водорода (3 - 7%), кислорода (31 - 40%) и азота (2 - 6%). Их элементный состав зависит от типа почвы, химического состава разлагающихся остатков, условий гумификации. Так, гуминовые кислоты в подзолистых почвах в отличие от черноземов и каштановых почв содержат меньшее углерода, но больше водорода.

В составе гуминовых кислот может содержаться от 1 до 10 % зольных элементов, однако они не являются постоянными компонентами молекулы, а присоединяются в результате химических реакций.

Молекулы гуминовых кислот неодинаковы по размерам и химическому составу. Молекулярная масса их колеблется от 4000 до 100 000, поэтому они легко разделяются на фракции. Гуминовые кислоты в почвах находятся преимущественно в виде гелей, которые под действием минеральных кислот слабо гидролизуются, а под действием щелочей переходят в раствор.

Взаимодействуя с минеральной частью почвы, гуминовые кислоты образуют соли - гуматы, сложные органо - минеральные комплексы, которые могут устойчиво и прочно адсорбироваться поверхностью глинистых минералов.

Гуматы щелочей (натрия, калия, аммония) хорошо растворимы в воде, образуют истинные и коллоидные растворы, могут вымываться из верхних горизонтов почв, а при соответствующих условиях - иллювироваться в глубину почвенного профиля и там осаждаться и накапливаться. Это хорошо выражено в осолоделых солонцах и солонцеватых почвах.

Гуматы кальция и магния нерастворимы в воде и закрепляются в почве в виде гелей. Они способны склеивать и цементировать механические элементы в агрегаты и способствуют образованию водопрочной структуры. Это наблюдается в черноземных, лугово - черноземных и дерново - карбонатных почвах.

Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. Они растворяются в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, пирофосфата натрия и водном растворе аммиака, образуя водорастворимые соли - фульваты. Кроме того, они растворяются во многих органических растворителях. Их растворы в зависимости от концентрации имеют окраску от соломенно - желтой до оранжевой. Водные растворы их обладают сильнокислой реакцией (рН 2,2 - 2,8). Фульвокислоты состоят из углерода, водорода, кислорода и азота, но меньше, чем гуминовые кислоты, содержат углерода и больше кислорода. В среднем в фульвокислотах содержится углерода 40 - 52 %, водорода 4 - 6 %, кислорода 40 - 48 % и азота 2 - 6 %

Фульвокислоты благодаря сильнокислой реакции и хорошей растворимости в воде энергично разрушают минеральную часть почвы.

Фулызатные соли (фульваты) щелочных и щелочно - земельных металлов хорошо растворимы. Комплексные соединения фульвокислот с железом и алюминием также частично растворимы, причем фульватно - железистые сильнее, чем комплексы с алюминием. Степень подвижности таких комплексных соединений зависит от насыщенности их металлом. При высокой насыщенности комплекс становится нерастворимым и выпадает в осадок.

Гумины представляют ту часть гумуса, которая не извлекается из декальцинированной почвы щелочами. Они почти полностью извлекаются при попеременном воздействии на остаток почвы с гуминами различных кислот и щелочей. Исследования показали, что в большинстве случаев гумины состоят из тех же групп гуминовых и фульвокислот, что и извлекаемые щелочью из гумуса. Эти кислоты в гуминах находятся в сложных и проч ных связях как между собой, так и с минеральной частью почвы.

В группу гуминов входят также инертные карбонизированные углистые частицы и неполностью гумифицированные органические остатки. Содержание гуминов в гумусе составляет 15 - 20%, а в некоторых почвах даже 40 - 48 %.

11.Массивно – кристаллические породы, условия формирования почв.(6)

Массивно-кристаллические почвообразующие породы представля­ют собой охлажденную и затвердевшую магму, которая вышла на по­верхность земли. Они имеют очень плотную массивную структуру, кристаллическое или скрытокристаллическое строение. В зависимости от содержания и соотношения соединений кремния и щелочей, с одной стороны, железа, кальция и магния - с другой, различают магматиче­ские породы кислые и основные.

К кислым магматическим породам относится гранит, широко рас­пространенный в горных массивах Бурятии. Для него характерно высокое содержание кремнезема, заметное количество натрия и калия, небольшое содержание железа, ничтожное - кальция и магния, относи­тельно повышенное - фтора и бора. Кислые магматические породы обычно окрашены в светлые и буроватые тона; в них отчетливо разли­чаются кристаллы кварца, полевых шпатов и слюд. Эти породы со­держат большое количество газов, таких, как СО, СО 2 , Н 2 S, СНз, Н, N, С1, которые при нагревании могут быть выделены. Продукты вывет­ривания и почвы, образующиеся из кислых магматических пород, наранних стадиях выветривания отличаются рыхлостью, песчанистостью и гравийным характером материала, более или менее достаточным содержанием калия, связанного с минералами группы слюд.

Из основных магматических пород известны базальты. Они ха­рактеризуются низким содержанием кремнезема (40-60 % массы). Большая часть кремнезема связана в алюмосиликатных минералах. Свободный кремнезем в виде кварца содержится лишь в небольшом количестве. Основные магматические породы, в отличие от кислых, в основном богаты соединениями марганца, железа, хрома, кобальта, цинка, титана, никеля и меди. Горные породы щелочной магмы отличаются очень темной,иногда черной окраской, что объясняется отсутствием кварца и преобладанием минералов, окрашенных в темные тона. Продукты выветривания и почвообразования на горных породах щелочноймагмы обычно быстро приобретают глинистый характер, длительное время сохраняют щелочную и нейтральную реакцию, отличаются повышенным содержанием почвенного гумуса и глинистых минералов типа монтмориллонита.

Между двумя основными группами массивно-кристаллических пород - кислыми и основными - существует ряд переходных групп.

Метаморфические породы образуются под воздействием высокого давления итемператур из осадочных пород. К метаморфическим породам относятся кварциты, сланцы, конгломераты и по химическому составу близкиек гранитам гнейсы.

Почвы на таких породах имеют неполноразвитый профиль.

Неполноразвитый - формируется на плотных массивно-кристаллических породах или на крутых склонах. Характеризуется полным набором горизонтов, характерных для данного типа почвы, которые, однако, имеют малую мощность и могут быть прерывистыми

Представляет собой важнейшее звено обмена веществ и энергии между живой и неживой природой. Это комплекс органических соединений, входящих в состав почвы. Представлены в основном гумусом (на 80–90%); неспецифическими для почвы углеводами; жирами, белками, а также остатками растений, животных.

Запасы органического вещества в метровом слое различных типов почв колеблются от 8 до 760 т/га. В дерново-подзолистых почвах (пашня) эти запасы достигают 90–100 т/га, в торфяниках – 760 т/га. Основным источником органического вещества в почве являются остатки зеленых растений. В условиях хвойного леса в почву ежегодно поступает в виде опада и отмерших корней около 4–6 т сухого вещества на 1 га. В агроэкосистемах в почву поступает растительных остатков в год от 2–3 т (пропашные культуры) до 7–9 т сухого вещества на 1 га (многолетние травы).

Масса микроорганизмов, ежегодно отмирающих в почве, составляет около 0,6–0,8 т сухого вещества на 1 га. Количество остатков животного происхождения – 0,1–0,2 т сухого вещества на 1 га почвы.

Различают следующие формы нахождения органического вещества в почве.
1. Неразложившиеся или слаборазложившиеся остатки преимущественно растительного происхождения, буроокрашенные. Образуют лесную подстилку, степной войлок, торфяные горизонты. Это так называемый грубый гумус , или мор .
2. Остатки в стадии глубокого разложения, образующие рыхлую темно-бурую или черную массу, под микроскопом – полуразложившиеся остатки. Эта форма получила название модер (труха).
3. Специфические органические образования, представляющие собой собственно гумус, составляющие 85–90% от органического вещества почвы. Это – муллевая форма.

/>Состав органических остатков, поступающих в почву, довольно сложный. Основную массу их представляют углеводы – сахароза, фруктоза, глюкоза, крахмал, клетчатка. Вместе с органическими веществами в почву поступают азотсодержащие соединения – аминокислоты, белки, ал¬калоиды, а также лигнин, дубильные вещества, смолы, органические кислоты (щавелевая, лимонная, винная).

Элементный состав органического вещества, поступающего в почву, характеризуется тем, что оно примерно на 5% (в пересчете на сухое вещество) представлено углеродом, водородом, азотом; остальные 5% – многочисленная группа зольных элементов – кальций, магний, калий, натрий, кремний, фосфор, железо, сера, а также микроэлементы – медь, бор, марганец, цинк и др.

Органические остатки, поступившие в почву, подвергаются различным биохимическим и физико-химическим преобразованиям. Подъем ферментов, выделяемых микроорганизмами, изменяется анатомическое строение остатков, а сложные органические соединения распадаются на более простые – их называют промежуточными продуктами преобразования органических остатков.

В результате гидролиза белков образуются пептоны, пептиды, и свободные аминокислоты. При гидролизе сложных белков вместе с кислотами образуются углеводы, фосфорная кислота, азотсодержащие гетероциклические основы.

Разложение жиров сопровождается образованием лигнина и жирных кислот. Продуктами распада лигнина являются фенолы. Много промежуточных соединений образуется при разложении углеводов – моносахариды, органические кислоты, альдегиды и др.

Спектр промежуточных продуктов преобразования органических веществ, как видно, довольно разнообразный. Большая их часть окисляется до конечных продуктов – углекислого газа, воды, простых солей. А промежуточные продукты преобразования используются гетеротрофными бактериями для питания и построения плазмы и таким образом вновь образуются в сложные соединения – белки, углеводы и др. И, наконец, часть промежуточных продуктов участвует в синтезе гумусовых веществ.

Процесс синтеза этих веществ протекает в условиях биокатализа, действия ферментов, выделяемых микроорганизмами. Сущность этого процесса сводится к тому, что промежуточные продукты разложения opганического вещества, попадая под воздействием реакций биохимического окисления, поликонденсации, полимеризации, дают качественно новые органические соединения, которые называют гумусовыми , или перегнойными, а процесс их образования – гумификацией . Обычно под гумусом (от лат. humus – земля, почва) понимают группу темноокрашенных высокомолекулярных азотсодержащих органических веществ кислотной природы, большая часть которых – коллоиды. Собственно гумусовые вещества составляют 85–90% общего количества органических соединений почвы.

Наибольшее количество и качество гумуса дает травянистая растительность и ее корневая система. В образовании гумуса принимают участие простейшие животные почв и микроорганизмы, которые разрушают сложные органические вещества. Такой процесс называют биохимическим. В результате образуются две основные группы соединений: неспецифичный гумус (лигнин, целлюлоза, воски, смолы и др. полуразрушенные соединения) и специфический гумус (гуминовые и фульвокислоты, гумин). Специфический гумус выделяют щелочным реагентом. Та часть гумусовых веществ, которая не экстрагируется щелочью, называется гумином; экстрагируется щелочью и осаждаемая при окислении – гуминовой кислотой, а оставшаяся в растворе фракция – фульвокислотой. Строение гумуса очень сложное и не совсем выясненное. Фульвокислота наиболее подвижная, более агрессивная со светло-коричневым цветом. На Полесье она попадает в колодцы и создает в питьевой воде коричневый цвет. Лучший гумус тот, в котором преобладает гумин с гуминовой кислотой, как в наших дерновых почвах или в черноземных (Сr: Cф > 1). В большинстве почв суши преобладает фульватный состав гумуса. Наибольшее количество доброкачественного гумуса имеют черноземы (4–15%). Поэтому эти почвы самые плодородные.

Гумус в почве частично соединяется с глеем и коллоидными частичками, создавая органоминеральные соединения (хелаты). Они полезны тем, что замедляют минерализацию гумуса (создание золы – оксидов химических соединений), увеличивают содержание ценных элементов питания в доступной форме для растений и не дают возможность выносить удобрения в реки и озера.

В состав гумусовых включают и вещества исходных органических остатков (белки, углеводы, смолы и др.), промежуточные продукты преобразования органических остатков (аминокислоты, моносахариды, полифенолы и др.).

В составе гумусовых веществ выделяют гумины – прочно связанный с минеральной частью почвы комплекс гумусовых кислот.
Установлено, что благоприятствует накоплению гумуса сочетание аэробных и анаэробных условий с чередованием периода достаточного и недостаточного увлажнения. В зависимости от отношения к различным растворителям выделяют следующие компоненты гумуса: фульвокислоты и гуминовые кислоты.

Гуминовые кислоты – специфические органические кислоты почвенного гумуса. Хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо в воде и не растворяются в кислотах. Раствор гуминовых кислот имеет или черный цвет. Состоят в основном из углерода (52–62%), кислорода (31–39%), водорода (2,8–6,6%), азота (2–6%) и небольшого количества зольных элементов – фосфора, серы, железа, алюминия, кремния и др.

При взаимодействии с минеральной частью гуминовые кислоты образуют гуматы. Гуматы одновалентных катионов (К+, Na+, NH-) хорошо растворяются в воде и легко переходят в состояние коллоидных и истинных растворов, могут вымываться из верхних горизонтов почвы. Клеящая способность этих гуматов низкая. Почвы, содержащие гуматы одновалентных катионов, не имеют водопрочной структуры – при увлажнении набухают и заплывают.

Гуматы двух- и трехвалентных катионов (Са2+, Mg2+, Fe3+, AI3+) образуют устойчивые водопрочные гели, способные обволакивать минеральные частички почвы и склеивать их в прочные агрегаты. Именно поэтому дерновые почвы характеризуются водопрочной структурой. Молекула гуминовых кислот имеет сложное строение. Ядро молекулы включает бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца. Периферические части гумусовых веществ содержат разные функциональные группы (карбоксильные, аминогруппы, спиртовые и др.), определяющие разнообразные химические и взаимодействие групповых соединений между собой, а также с минеральными компонентами почвы и удобрений.

В составе гумуса важное значение имеет соотношение между содержанием гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК). Оно считается благоприятным при ГК/ФК >1.

Велико значение гумуса в и формировании почв. Влияния гумусовых веществ на эти процессы разнообразное и весьма существенное. При участии гумуса образуются многие почвенные горизонты – А1 А2, В и др., формируется и ее водно-воздушные свойства. Гумус повышает поглотительную способность почв, расширяет буферные возможности.

В гумусе накапливаются многочисленные элементы питания растений - N, Р, S, К, Са, микроэлементы, которые высвобождаются при разложении его гетеротрофами. Процессы разложения гумусовых веществ сопровождаются выделением углекислого газа, необходимого зеленым растениям для фотосинтеза.
Кроме того, гумус является источником биологически активных веществ в почве (ферменты, витамины, ростовые вещества), положительно влияющих на рост и развитие растений, мобилизацию элементов.

Гумус выполняет и санитарно-охранную функцию: ускоряет разложение пестицидов, закрепляет загрязняющие вещества (сорбция, образование комплексов) и тем самым снижает их поступление в растения. Гуминовые кислоты имеют высокую поглотительную способность – 200–600 мг экв на 100 г вещества, их рН около 3,4.

Фульвокислоты (от лат. fulvus – желтый) имеют принципиально такое же строение, как и гуминовые, но ядро их менее конденсировано, они меньше содержат углерода, а кислорода и водорода – больше. Окраска от соломисто-желтой до оранжевой. Фульвокислоты, их соли – фульваты – хорошо растворяются в воде, кислотах, щелочах. Их водные растворы имеют кислую реакцию – рН 2,6–2,8. Поэтому фульвокислоты энергично разрушают почвообразующие породы, содействуют выносу из них многих химических элементов. Это особенно резко проявляется при подзолообразовании.

Таким образом, гуминовые и фульвокислоты существенно отличаются своими свойствами. Гуминовые кислоты способны накапливаться в почве и формировать ее плодородие. Фульвокислоты активно разрушают минеральную часть почвы и снижают тем самым ее плодородие. Поэтому важно знать не только общее количество гумуса в почве, но и его качественный (групповой) состав – соотношение в нем гуминовых и фульвокислот и является важным показателем их агрохимической оценки.

Количество гумуса, его качество (Гк/Фк), мощность гумусового горизонта в почвах различных географических зон неодинаково. Так, большее содержание гумуса в верхнем горизонте (10–14%) и наибольшая его мощность (70–80 см) характерна для типичных черноземов. На север и на юг от зоны черноземов количество гумуса и мощность гумусового горизонта уменьшается. В северном направлении – 3–6% в серых лесных почвах и 1–3% в при мощности гумусового горизонта соответственно 25–30 и 15–20 см. На юг – 3–5% в каштановых почвах и 1–2% в бурых почвах при мощности гумусового горизонта соответственно 20–40 и 10–15 см.

Зональные типы почв отличаются и качеством гумуса. Так, в составе гумуса дерново-подзолистых почв преобладают фульвокислоты (соотношение гуминовых и фульвокислот 0,6–0,8), а в черноземах, это соотношение равно 1,5–2,5, что говорит о явном преобладании в составе гумуса гуминовых кислот.

Большое влияние на гумификацию оказывает гранулометрический состав. Так, песчаные почвы содержат гумуса (1,0–1,5%) значительно меньше по сравнению с дерново-подзолистыми суглинками (2–3%).

Чтобы баланс гумуса в используемых почвах был положительным, необходимо систематически вносить в почву органические удобрения в достаточно высоких количествах. Считается, что содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах не будет снижаться, если ежегодно вносить 8–10 т/га органических удобрений. Положительно сказывается на повышении содержания гумуса в почве применение зеленых удобрений, травосеяние, известкование кислых почв и др.

В заключение следует отметить, что гумус – понятие не только химическое и биологическое, но и экологическое. Гумусовые горизонты формируются как результат непрерывной смены поколений растений. Различные сообщества растений, например, травянистые и деревянистые, резко отличаются по требованиям к условиям внешней среды, по характеру гумификации. Лесная подстилка (Ао), промывной тип водного режима, фульватный тип гумуса – такова экологическая основа существования леса. А для трав – гумификация по гуматному типу, формирование темноокрашенной гумусовой толщи, аккумуляция в ней элементов питания.

Гумус как экологическая основа почвенного плодородия непосредственным образом влияет на условия жизнедеятельности растений, в том числе и культурных.

Содержание гумуса в большинстве пахотных почв уменьшается. Количество гумуса снижается в распаханных почвах таких крупных государств Мира, как России, США, Канада, Австралия и ряд других. В какой-то мере данная проблема решена в развитых странах с высокой культурой земледелия, например, в Германии и Японии. Бездефицитный баланс гумуса достигнут в пахотных почвах Прибалтийских государств и Белоруссии. В Красноярском крае в почвах пашни дефицит гумуса ранее составляет 0,23т/га в год, а в настоящее время он возрос до 0,42т/га в год.

Причины снижения количества гумуса в почве:

– отсутствие достаточной культуры земледелия;

– при возделывании сельскохозяйственных культур в почву поступает мало растительного вещества. Главным образом, по причине того, что в агроэкосистемах его меньше продуцируется, чем в естественных ценозах, и в связи с отчуждением урожая;

– интенсивные обработки почвы, которые приводят к чрезмерной минерализации гумуса, а использование тяжелой техники, типа К-700, Т-150, приводит к припахиванию безгумусного горизонта и разбавлению содержания гумуса в пахотном горизонте почвы;

– внесение минеральных удобрений, что усиливает минерализацию гумуса;

– парование почв, в результате чего усиливается минерализация гумуса. Вместе с тем, в паровое поле поступает очень мало растительного материала;

– насыщение севооборотов пропашными культурами, от которых в почву поступает мало растительного материала;

– ветровая и водная эрозия, приводящая к смыву и выдуванию гумусовых веществ вместе с мелкоземом. Эрозия наносит наиболее ощутимый вред, и может привести к полному уничтожению гумусового горизонта;

– неправильное орошение и осушение.

Все эти процессы ведут к уменьшению содержания гумуса, и, в конечном счете, к деградации и уничтожению почвы. Чтобы этого не происходило необходимо регулировать количество и качество гумусовых веществ в почвах.

К основным мероприятиям по регулированию количества и состава гумуса относятся: внесение в почву органических удобрений (навоз, компосты, торф); применение зеленых удобрений; посев многолетних трав; известкование кислых почв и гипсование солонцов; рациональные севообороты и минимальная обработка почвы; противоэрозионные мероприятия.

Органические удобрения это хороший источник гумусовых веществ. При систематическом применении органических удобрений даже в наиболее бедных дерново-подзолистых почвах постепенно возрастают запасы гумуса, а в составе гумуса увеличивается содержание гуминовых кислот, улучшаются водно-физические свойства почвы, развивается полезная микрофлора.

Возделывание многолетних трав (люцерна, клевер, злаковые травы) способствует накоплению большого количества растительных остатков, из которых образуется гумус, улучшаются структура почвы, водно-воздушный и питательный режимы почвы.

Известкование и гипсование регулирует реакцию почвы, создает благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, тормозит процессы разрушения и выноса органического вещества. Так, в кислых почвах накопление гумуса при известковании обусловлено тем, что внесение кальция вместе с мелиорантом уменьшает его вымывание из почвы.

Противоэрозионные мероприятия способствуют сохранению и накоплению гумуса. Например, проектирование защитных лесных полос – одна из мер по сохранению гумусного состояния почв.

Контрольные вопросы

1. Понятие «органическое вещество почвы».

2. Источники органического вещества в почве.

3. Химический состав источников гумуса.

4. Процессы воздействующие на органические остатки в почве.

5. Состав гумуса.

6. Показатели гумусного состояния почв.

7. Значение и роль гумуса.

8. Мероприятия по регулированию гумусного состояния почв.

9. Дегумификация почв. Ее причины.

Тема 1.3. ПОЧВЕННЫЕ КОЛЛОИДЫ И ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ (лекция)