Вальков - Почвоведение. Издательский центр МарТ
 Скачать 19.72 Mb.
|
|
Кислоты С Н 0 N Гуминовые 52-62 3-5,5 30-33 3,5-5,0 Фульвокислоты 44-49 3,5-5,0 44-49 2,0-4,0 Гумификация совершается в определенных условиях окружающей среды. В связи с разнообразием этих условий конечные продукты гумификации также неодинаковы. Обычно, отмечая разнообразие условий среды, подчеркивают следующие факторы гумификации масса растительных остатков, химический состав гумифицирующихся веществ, режим влажности и аэрация почв, реакция среды и окисли тельно-восстановительные условия, интенсивность деятельности микроорганизмов, гранулометрический состав и другие особенности минеральной части почв. Одни и те же условия могут иногда оказывать противоположное влияние на процесс гумификации. Например, обогащение почв кальцием при благоприятных условиях активизирует микрофлору и ускоряет процессы трансформации растительных остатков, но одновременно повышает устойчивость органических соединений за счет их взаимодействия с кальцием, что может снизить темп гуми фикации. Органические вещества почвы проходят сложный путь преобразования от простого к сложному и от сложного к простому. Ежегодно в верхних слоях коры выветривания протекает синтез свежих гумусовых веществ. Начало этого обусловлено поступлением в почву органических остатков растительного и животного происхождения. В почвоведении данное явление считается одним из элементарных почвенных процессов, который свойственен всем типам почвообразования. Установлена биохимическая сущность гумификации как специфического почвенного процесса превращения целлюлозы, белков, лигнина и других химических соединений растительных остатков в различ Часть. Состав и с вой ст в а почв 71ные компоненты почвенного гумуса. Гумификацию можно рассматривать как процесс превращения органических остатков, протекающий под влиянием как биохимических, таки чисто химических агентов и ведущий к формированию наиболее стабильной в конкретных экологических условиях системы специфических (собственно гумусовых) и неспецифических органических соединений. Существуют разные подходы к трактовке и созданию научных теорий происхождения гумуса. Микробиологическая концепция образования почвенного гумуса зародилась в прошлом веке трудами С.П. Костычева. Впоследствии ее развивали почвенные микробиологи — С.Н. Виноградский, ДМ. Но- вогрудский и др. Эта теория до последнего времени не получила своего широкого признания. Суть ее в том, что почвенные микроорганизмы среди продуктов внутриклеточного микробного синтеза продуцируют соединения, сходные построению с гуминовыми кислотами — темноцветные хромопротеиды — пигменты меланоидного типа. Особенно это касается меланопротеидов грибов, содержащие азот в гетероциклах. Таким образом, согласно этой теории, синтез мелано протеидов сравнивается с внутриклеточным образованием микроорганизмами гуминовых кислот. Эти вещества благодаря своей устойчивости к микробному разложению могут накапливаться в почвах и прямо или путем включения в качестве основы гумусовых веществ способствуют созданию почвенного гумуса. Наиболее распространены схемы гумификации, предложенные ММ. Кононовой и Л.Н. Александровой. ММ. Кононова считает, что специфической реакцией гумификации является конденсация ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источники структурных единиц — продукты распада лигни- нов, танинов, фенольные соединения продуктов метаболизма микроорганизмов, аминокислоты и пептиды частичного распада и синтеза белковых соединений. Л.Н. Александрова подчеркивает длительность и многообразие отдельных звеньев гумификации. На первой стадии ведущим оказывается процесс кислотообразования в результате биохимического окисления продуктов разложения органических остатков. При этом происходит фракционирование системы образующихся гумусовых кислот по степени растворимости на группы гуминовых кислот и фульвокислот. В почве формируется сложная система свободных гуминовых кислот Почвоведение и их органо минеральных производных. Одновременно образуется и азотная часть гуминовых кислот. На второй стадии гумификации в гуминовых кислотах постепенно возрастает степень ароматизации вследствие частичного отщепления алифатических цепей, дезаминирования и внутримолекулярных перегруппировок. Эта стадия очень длительная, осложняющаяся постоянным поступлением вновь образующихся гумусовых веществ. Третья стадия трансформации гумусовых веществ — их постепенная минерализация. Конденсационная теория ММ. Кононовой не исключает участия высокомолекулярных фрагментов в процессе гумификации. Гипотеза Л. Н. Александровой в свою очередь не исключает реакций конденсации в процессе гумификации. Таким образом, можно полагать, что оба эти пути гумификации возможны и реально существуют в природе. В общем виде взаимосвязь между процессами минерализации и гумификации, между основными источниками гумусовых веществ и самими гумусовыми веществами можно представить как постоянно идущий распад, доходящий до разных степеней и одновременно постоянно идущий синтез, начинающийся с любого этапа раз ложения. Д.С. Орлов предложил кинетическую теорию гумификации, подчиняющуюся уравнению Н = f(Q, I, t), где Н — степень гумификации Q — общий объем поступающих в почву растительных остатков I — интенсивность их трансформации, зависящая от скоростей отдельных стадий процесса и пропорциональной биохимической активности почв t — время воздействия почвы на поступившие остатки. Глубину гумификации можно связать с общим уровнем биохимической (или биологической) активности почв. Теория фрагментарного обновления гумусовых веществ АД. Фо кина основана на том, что продукты разложения органических веществ могут не формировать целиком гумусовую молекулу, а включаться путем конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекула затем в циклические структуры. Согласно этой теории, результатом биохимической трансформации растительных остатков и гумусовых веществ является формирование системы специфических (гумусовых) и неспецифических органических соединений, термодинамически наиболее устойчивых в данных условиях. При этом одно из наиболее общих свойств этой Часть. Состав и с вой ст в а почв 75системы — ее динамичность. Внутригодичное изменение системы гумусовых веществ подчиняется определенной цикличности, которая приводит ее (систему) водно и тоже время к вполне определенному стабильному состоянию. Анализируя характер гумификации, обычно в первую очередь отмечают интенсивность гумусообразования, содержание в гумусе азота, соотношение гуминовых и фульвокислот, ненасыщенность и насыщенность гумуса щелочными, щелочноземельными элементами и железо алюминиевыми комплексами. Гуминовые кислоты (ГК) идентифицируются своей нерастворимостью в кислотах и легкой растворимостью в растворах щелочей, из которых они осаждаются при подкислении. ГК имеют интенсивный бурый (бурые лесные почвы) или черный (черноземы, дерновые почвы) цвет, который и придает почвам темную окраску даже при невысоком содержании гумуса. В сухом состоянии ГК нерастворимы вводе. Однако свежеосажденные, только что образованные ГК медленно растворяются вводе. Эта способность играет важную роль в передвижении гумуса в черноземах ив формировании мощного гумусового профиля в почвах под травянистыми биоценозами. ГК интенсивно поглощают кальций и выпадают в осадок в виде гуматов кальция. Эта соль устойчива к растворению и имеет нейтральную реакцию. Поэтому такой большой стабильностью и характеризуются гумусовые профили черноземов. Вместе стем ГК активно взаимодействуют с катионами железа и алюминия, образуя устойчивые комплексные соединения. Эти соединения обладают кислой реакцией, так как не все кислотные группы связываются с полуторными окислами. Органоминеральные комплексы ГК устойчивы к микробиологическому разложению и это способствует накоплению гумуса в почвах. Ненасыщенные фракции ГК способны разлагать минералы, но ненасыщенность этих веществ — явление редкое в природе. С минералами монтмориллонитовой группы ГК образуют прочные комплексы черного цвета, придающие антрацитовый цвет большой группе слитоземов, хотя общее количество гумуса в этих почвах очень невелико. Емкость обмена для ГК составляет 400—500 м.-экв. наг сухого вещества, при этом главным обменным катионом является кальций. При насыщении ГК обменным натрием образуются золи гуматов натрия, интенсивно подвижные в таких почвах, как солонцы Почвоведение (Ф К ) гумуса отличаются растворимостью в кислотах и щелочах, а также частично вводе. ФК, растворясь вводе, могут давать очень концентрированные кислые растворы. Их цвет — от соломенно-желтого до оранжевого. Значительна поглотительная способность ФК. Их катионная емкость обмена составляет 600—800 м- экв. наг сухого вещества ФК. С катионами калия, натрия, аммония, кальция и магния ФК образуют водорастворимые соли. В зависимости от условий с полуторными окислами Ф К образуют соединения, которые или находятся в растворе, или выпадают в осадок. Чем больше на единицу полуторных окислов приходится ФК и чем больше разбавлен раствор, тем больше подвижность соединений. Такие условия наблюдаются в верхней части подзолистых почв в элювиальном горизонте А. При возрастании концентрации и при значительном преобладании в растворах соединений железа и алюминия наблюдается осаждение компонентов. Это характерно для иллювиальных горизонтов почв. Ф Кв ненасыщенном состоянии отличаются значительной агрессивностью по отношению к силикатной и алюмосиликатной частям почв, разрушая минералы химически. С этим свойством связано их активное участие в подзолообразовательном процессе. При нейтрализации фульвокислот двухвалентными и трехвалентными катионами что характерно для буроземообразования, их агрессивность резко паи дает, и подзолистые явления не проявляются. Гумины — самая устойчивая часть гумусовых веществ, не извлекаемая из почв щелочными растворами даже при нагревании. Для них характерна прочная связь с минеральной частью почвы. Вернее говорить не об органических соединениях, а об особых органомине ральных комплексах, вероятно, практически неподдающихся процессам микробиологической минерализации и имеющих длительную сохранность в почвах и постпочвенных образованиях (четвертичные глины и суглинки). Географические закономерности гумусообразования впервые разработаны ИВ. Тюриным. Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса имеют зональный характер распределения. Максимальное гумусонакопление проявляется в типичных чернозе мах лесостепи. К северу и югу показатели гумусового состояния снижаются Часть. Состав и с вой ст в а почв. Экологическое bbз нач е ни е ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВЫ Органические вещества почвы многообразны по своей роли в формировании почвенного плодородия, в росте и развитии растений. Постоянная динамика гумуса, ежегодный синтез органического вещества, процессы его разложения и трансформации, связывание в гумусе элементов питания, их консервации, наоборот, непрерывное их высвобождение и поступление в почвенные растворы — все это отдельные черты сложной и многообразной жизни гумусовых веществ почвы. Гумус — понятие не только химическое и биологическое, но и экологическое. Гумусовые горизонты формируются как результат непрерывной смены поколений растений. В тоже время гумусовые горизонты — необходимая основа и средство получения растениями элементов питания и создания оптимальной экологической обстановки в почвенном профиле. Различные сообщества растений, например травянистые и деревянистые, резко отличаются по требованиям к условиям внешней среды. Резко различны и условия гумификации, определяющие экологический оптимум для этих растений. Лесная подстилка (горизонт Ао), промывной водный режим, фульватный тип гумуса — такова экологическая основа существования леса. А для трав — гумификация по гуминовому типу, формирование темноокрашенной гумусовой толщи, аккумуляция в ней элементов питания, — и все это в условиях относительного недостатка влаги. Следовательно, в процессе эволюции жизни при почвообразовании возникло сложное и целесообразное единство растений и почвенных условий, а в более узком смысле — растений и гумуса, с которыми неразрывно связаны многие свойства и явления в почвах. Природно-экологическая значимость органического вещества почв определяется следующим. Минерализация органических веществ — первостепенный источник поступления в почвы доступных растениям элементов биофилов в концентрациях, близких к экологическим потребностям организмов. При минерализации сложные органические соединения при участии различных групп микроорганизмов превращаются в простые химические вещества — воду, углекислый газ, соли различных 76 ПОЧВОВЕДЕНИЕ анионов и катионов. В процессе минерализации участвует большая часть органических остатков до 80—90%. Продукты минерализации попадают в почвенные растворы ив значительной степени становятся объектом питания растений, те. вновь включаются в биологический круговорот. Минерализации подвергаются и гумусовые вещества, но значительно медленнее, что обеспечивает регулярность и стабильность минерального азотного и фосфорного питания живых организмов почвы. Гумусовые вещества почв следует рассматривать как консервант солнечной энергии, которая была накоплена благодаря процессам фотосинтеза зелеными растениями в бесчисленном множестве неспецифических органических соединений, а затем трансформирована в вещества почвенного гумуса. Постепенное ее высвобождение осуществляет энергетическое обеспечение многих почвенных процессов, включая плодородие почв. Следовательно, почвенный гумус имеет конкретную калорийную энергетическую знат чимость. £ 3. Гумусовые вещества обладают физиологической активноег|- тью. Фульвокислоты и гумат натрия, выделенные из разных почв действуют неодинаково. Стимулирующая роль гуматов широко используется в практике выращивания черенков-саженцев кустарников ■ вых культур. В присутствии гуматов они намного быстрее дают росф корней. Гуминовые удобрения уже давно имеют спросу огородниг ков и садоводов, обеспечивая коммерческий успех фирмам, их про изводящим. Однако характерна неодинаковая требовательность различных растений к гуматам (табл. Таблица Группы сельскохозяйственных растений по реакции на гуминовые кислоты (Христева, Уровень реакции Растения Очень сильно реагирующие Хорошо реагирующие Слабореагирующие Почти не реагирующие Томаты, картофель, свекла Пшеница, ячмень, овес, просо, кукуруза, рис, житняк, люцерна Горох, фасоль, чечевица, арахис, хлопчатник, кунжут Подсолнечник, клещевина, кенаф, тыква Часть. Состав и с вой ст в а почв. Гумус оптимизирует физическое состояние почв. При оценке экологической роли гумуса всегда подчеркивается его положительное значение в связи с образованием агрономически ценной структуры, которая в конечном итоге создает для растений благоприятные водно воздушные свойства. Главную структурообразующую роль выполняют гуматы кальция и железа. Это очень водоустойчивые структуро- образователи с высокими клеящими свойствами. Они обеспечивают формирование в почвах зернистой и пористой структуры, устойчивой к разрушающему действию воды. Гумусовые вещества оптимизируют для растений многие физические характеристики почвы. Чем выше содержание в почвах органических веществ, тем шире диапазон физической спелости, те. почвы могут обрабатываться в более широком интервале влажности. Много- гумусные почвы легко обрабатываются, менее податливы к уплотнению. Никогда не встречаются слитые почвы с высоким содержанием органического вещества. Почвенный гумус отличается типичными характеристиками гидрофильных коллоидов. Он увеличивает водоудерживающую способность почв, так как способен поглощать значительное количество воды. Гумусовое состояние почв — важнейший показатель количественной оценки плодородия Это вызвано тем, что гумус выступает как интегральный показатель плодородия, объединяющий в себе ряд свойств почв. С гумусовыми веществами связаны многие условия жизни растений, которые отражаются в свойствах почвенного профиля мощность и богатство гумусового профиля, пригодность к сельскохозяйственному использованию, реакция среды, физическое состояние почвенной массы, ее биохимическая активность и т. д. Поэтому, оценивая гумус почв, мы оцениваем сразу многие почвенные характеристики. Разный качественно-количественный состав органического вещества характеризует гумусовое состояние почвы (табл. 10). В.В. Докучаев писал, что мощность и особенно содержание перегноя в почвах является выражением общего комплекса всех почво- образователей, в том числе и подпочвы. Единство этих показателей подтверждается их высокой связью с урожайностью, наблюдаемой Для разных почв. Мощность гумусовых горизонтов и их гумус вернее рассматривать в едином целом, неразрывно связывающим их Почвоведение ibТаблица Характеристика гумусного состояния почв (Гришина, Орлов, 1978) Показатели Уровень, характер проявления Градации показателя Мощность подстилки (для очень мощная >10 лесных почв, см мощная 5-10 средней мощности 2-5 маломощная <5 Отношение запасов орга Распределение: эктоморфное >1 нического вещества в под мезоморфное Около 1 стилке ив минеральном профиле эндоморфное <1 Содержание гумуса в гуму Очень высокое >10 совых (поверхностных)го Высокое 6-10 ризонтах, % Среднее 4-6 Низкое 2-4 Очень низкое <2 Запас гумуса в слое Очень высокий (>600) 0-100 см, т/га Высокий 150-200 (Средний (Низкий (Очень низкий (Профильное распределе Резко убывающее — ние гумуса в почвенной Постепенно убывающее — толще Равномерное — Нарастающее — Бимодальное — Обогащенность гумуса азо Очень высокая <5 том, по отношению C:N Высокая 5-8 Средняя 8-11 Низкая 11-14 Очень низкая >14 Степень гумификации ор Очень высокая >40 ганического вещества, Высокая 30-40 (С^СобЛ-ЮОЪ Средняя 20-30 Слабая 10-20 Очень слабая Часть. Состав и с вой ст в а почв b79iОкончание табл. Тип гумуса, Сгк:Сфк Гуматный Фульватно-гуматный Гуматно-фульватный Фульватный >2 1-2 Содержание «свободных» Очень высокое >80 гуминовых кислот, Высокое 60-80 % к сумме ГК Среднее 40-60 Низкое 20-40 Очень низкое <20 Содержание гуминовых Очень высокое >80 кислот, связанных с Са2+, Высокое 60-80 % к сумме ГК Среднее 40-60 Низкое 20-40 Очень низкое <20 Содержание прочносвя- Высокое >20 занных гуминовых кислот, Среднее к сумме ГК Низкое <10 Оптическая плотность гу Очень высокая >0,20 миновых кислот, Е 0,001'™ Высокая 0,10-0,20 Средняя 0,06-0,10 Низкая 0,03-0,06 Очень низкая <0,03 друг с другом. Величина А+АВ представляет объем основной кор необитаемой массы почвы, в которой происходит гумусонакопле- ние. Содержание и запасы гумуса отражают качественные свойства корнеобитаемого слоя. В целом же мощность гумусовых горизонтов и запасы в них гумуса составляют количественное и качественное единство, характеризующее плодородие почвы. Влияние гумусового содержания на плодородие почв неоднозначно Не для всех растений соблюдается закономерность большее содержание гумуса отвечает высокому уровню плодородия. Некоторые культуры безразличны к гумусовому содержанию почвы. Это картофель, гречиха, арбуз. Они прекрасно произрастают как на многогумусных почвах, таки на низкогумусных. Ау виноградной лозы и табака на почвах с высоким содержанием органического вещества резко снижается качество урожая. Виноградники на |