почвоведение ганжара. Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
Минеральная часть почвы Гумусообразование — процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Другими словами, это процесс формирования органопрофиля почв, начинающегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчивающегося переходным горизонтом к почвообразующей породе. Общая схема процесса гумусообразования представлена на рис. 14.1.
/ Разложение (гидролиз, окислительновосстановительные реакции) микробный синтез Промежуточные продукты разложения Белки, углеводы, липоиды и др . Минерализация __i Продукты полной минерализации
Гумификация Промежуточные продукты распада Вымывание- и удаление в атмосферу Использование растениями в биологическом круговороте Закрепление в почве Вымывание Взаимодействие (солеообразование, адсорбция) ± Органо-минеральные производные гуминовых и фульвокисло т Рис. 14.1. Процесс гумусообразования в почве (Л.Н.Александрова, 1980) Согласно этой схеме, гумусообразование включает все характерные процессы формирования и эволюции органопрофиля почв: разложение поступающих в почву свежих органических веществ, их минерализацию и гумификацию, минерализацию гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграцию и аккумуляцию органоминеральных соединений. Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ (процесс, предшествующий минерализации и гумификации) осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, де- карбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты и другие. Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, соотношения С : N в их составе и гидротермических условий. В течение первого года разложения минерализационные потери углерода растительных остатков составляют 30-70% от исходной массы. На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная (Ганжара Н.Ф., 1980), что связано с особенностями гидротермических условий почв зонального ряда. Гумификация — образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально. Концепция биохимического окисления. Предложена в 30-х годах И.В.Тюриным, затем детально разрабатывалась и экспериментально подтверждена в работах Л.Н.Александровой и ее учеников. Ведущее значение, согласно этой концепции, в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение — белков, лигнина, дубильных веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, 120 бттия конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы. Концепция биохимическои конденсации и полимеризации. Ос- положником этой концепции был А.Г.Трусов. Дальнейшее Н° витие она получила в работах М.М.Кононовой, а ее разновид- Р и __ в работах В. Флягера, Ф.Шеффера и Б.Ульриха. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хино- и ло ). Процесс конденсации рассматривается как биохими- HUD /г ческий, с участием ферментов — полифенолксидаз, грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации — как чисто химический, который происходит на заключительной стадии гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с твердой фазой почв. Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества — это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые такая гипотеза была сформулирована П.А.Костычевым, затем она получила развитие в работах С.Н.Виноградского, Ф.Ю.Гельцер, Т.Г.Мильчика, Д.Г.Звягинцева. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв. Очевидно, что для приобретения устойчивости к разложению такие вещества должны провзаимодействовать с минеральной частью почвы. Кинетическая теория гумификации — разработана в 70-х годах Д.С.Орловым. В основе ее лежит принцип “отбора” наиболее устойчивых органических соединений в процессе гумификации. Глубина гумификации — степень преобразования растительных остатков в гумусовые вещества — характеризуется отношением Сгк: Сфк. Она тесно связана с периодом биологической активности, что автор подтверждает тесной корреляционной связью глубины гумификации с длительностью периода биологической активности в почвах зонального ряда. Однако в почвах разных фаций (черноземы южно-европейской и восточносибирской фации) такой корреляции не наблюдается. Эта теория не применима и к почвам субтропических и тропических областей. Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х голах А.Д.Фокиным. Ее суть состоит в том, что продукты разложения могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а 121 включаются за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем — в циклические структуры. При этом периферические фрагменты обновляются ц несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор назвал фрагментарным. Кроме того, методом изотопных индикаторов А.Д.Фокин показал наличие обменной молекулярной сорбции гумусовых молекул. Количественная оценка процесса гумификации. Для количественной оценки процесса гумификации используют коэффициенты гумификации (Кг) — это часть поступающих в почву органических веществ (наземный и корневой опад, органические удобрения и др.), трансформирующаяся в гумус при полном их разложении. Обычно величина Кг рассчитывается в долях или в процентах (на сухое вещество) от годового количества поступающих в почву свежих органических веществ. Однако в течение года разлагается только часть поступающих свежих органических веществ (30-70%). Остальная масса разлагается и гумифицируется в последующие годы. Поэтому для расчета Кг используют промежуток времени, измеряемый несколькими годами или даже десятками лет, включающих ряд циклов разложения и гумификации поступающих в почву свежих органических веществ. Расчетная величина Кг, таким образом, является усредненной за ряд лет. Основная трудность определения Кг заключается в отделении новообра- зовавшегося гумуса из учитываемых в опыте его источников от ранее образовавшегося гумуса. Решение этого вопроса, в какой-то мере, возможно с помощью изотопноиндикаторного метода. Прямое определение Кг можно проводить в безгумусных субстратах (породах) при известном количестве поступающих или вносимых в почву органических веществ за определенное время. В пахотных почвах Кг определяют в длительных опытах путем учета прибавки гумуса на делянках с известными дозами органических удобрений по сравнению с исходным его содержанием в почвах контрольных делянок (без удобрений), при одинаковых культурах и агротехнике. Однако такие показатели более правильно называть коэффициентами прироста гумуса, поскольку они не учитывают количества обновляющегося гумуса. Наконец, величину Кг можно оценить по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса, сущность которого заключается в определении среднего времени пребывания (СВП) углерода в составе гумуса или его отдельных фракций по удельной активности распада |4С. Величина, обратная СВП, соответствует доле углерода, обновляющегося в среднем за
122 чество минерализующегося гумуса в зрелых почвах равно ко- К°Л ству разлагающегося. Зная величину ежегодного опада, не- лИЧ о рассчитать Кг в долях от массы годового опада. сЛ° т0чное определение Кг усложняется тем, что разные груп- ! фракции и даже отдельные фрагменты молекулы гумусовых ПЬшеств обладают разной устойчивостью к разложению. Длитель- В сть существования разных составных частей гумуса может раз- ичаться на порядок или даже на несколько порядков. Поэтому величина Кг может зависеть от длительности периода его определения. Разные подходы к определению Кг в значительной степени объясняют большие колебания их значений, приводимых в литературе, от 0 до 40-50% массы источников гумуса. Поэтому использование Кг для расчета баланса гумуса с целью регулирования уровня гумусированности дает большие погрешности. Разложение и минерализация гумусовых веществ. Установлено, что гумусовые вещества подвержены процессам разложения, обновления и минерализации. Скорость этих процессов значительно ниже, по сравнению со скоростью разложения и минерализации источников гумуса. Многие исследователи объясняют высокую устойчивость гумусовых веществ к разложению особенностями строения их молекул. Однако, тот факт, что в свободном состоянии в условиях земной поверхности гумусовые кислоты в значительных количествах не накапливаются, позволяет полагать, что основной причиной устойчивости является степень прочности их связи с минеральной частью почв. Методом радиоуглеродного датирования установлено, что среднее время пребывания углерода в составе гумуса измеряется сотнями и тысячами лет. При этом скорость обновления фульвокислот выше, чем гуминовых; гумус в верхних слоях черноземов старше, чем гумус дерново-подзолистых почв. Во всех почвах более интенсивно обновление гумуса происходит в верхней части почвенного профиля, где значительно выше биологическая активность. Способность разлагать гумусовые вещества установлена для многих почвенных организмов — грибов, актиномицетов, бактерий. С.Н.Виноградский делил микрофлору почв на две группы:
Для оценки скорости минерализации гумуса используется коэффициент минерализации (Кмг) — количество минерализующегося гумуса в год, выраженное в долях или процентах от общих 123 запасов. При определении Кмг возникают такие же проблемы, как и при определении Кг. Цикличность данного процесса, разно- возрастность различных групп и фракций гумуса, постоянная минерализация источников гумуса осложняют экспериментальное определение Кмг. Тем не менее, существует ряд способов примерной оценки скорости минерализации гумуса.
и, прежде всего, азотом легкоразлагаемых органических веществ, в том числе растительных остатков. Трудно поддаются учету такие 124 прихода в почву азота, как фиксация свободноживущими статьи измами (несимбиотическая азотфиксация), атмосфер- микро Р это вызывает большие погрешности при опреде- Гдаи'Кг этим способом. Величины Кмг, определенные разными методами, варьиру- в очень широких пределах, от сотых долей процентов до 1-2% »тоД что в пересчете на массу составляет от десятков и сотен кг В з_4 т/га. Очевидна непригодность использования Кмг для расчета "баланса гумуса в практических целях.
Географические закономерности гумусообразования наиболее детально были разработаны И.В.Тюриным. Впоследствии они уточнялись в работах М.М.Кононовой, В.В.Пономаревой, Ф.Дю- шофура и др. исследователей. Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса закономерно изменяются в почвах зонального ряда. Наибольшие значения перечисленных показателей характерны для черноземов типичных лесостепной зоны. Мощность гумусового горизонта в них может достигать 1,5 м, содержание гумуса до 15% (табл. 14.1). К северу и югу от зоны распространения черноземов типичных мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса постепенно снижаются до минимальных значений. Параллельно общему содержанию гумуса изменяется относительное содержание гуминовых кислот. Больше всего их в черноземах. К северу и югу от черноземов их содержание постепенно снижается. Изменение содержания фульвокислот менее закономерно, но в целом противоположно содержанию гуминовых кислот. Содержание нерастворимого остатка составляет 30-40% от общего содержания гумуса и слабо варьирует по типам почв. Характерным для каждого типа почв является отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, которое также наибольшее в черноземах (около 2 и более), постепенно снижается к подзолистым, бурым пустынно-степным почвам. По этому отношению выделяются (Д.С.Орлов и Л.А.Гришина) бедующие типы гумуса: гуматный — более 2, фульватно-гумат- ный — 1-2, гуматно-фульватный — 0,5-1, фульватный — менее 0,5. В составе гуминовых кислот доля свободных и связанных с ижными формами полуторных оксидов от подзолистых почв 125Гумусовое состояние зонального ряда для гумусового и пахотного слоя суглинистых почв Европейской части России (усредненные литературные данные)
м аридных регионов снижается от 90-100% до 10% и ме- к почва кальЦиеМ) наоборот, возрастает в том же диапазоне. В по- нее, а НЬ1Х и переменно-влажных тропических и субтропичес- ЧВЗХ бластей содержание гумуса повышается на 3-4% с преобла- КИХ ем в его составе, как правило, фульвокислот. даНИф Дюшофур (1970) выделяет главные типы гумуса на осно- и морфологических различий, степени трансформации орга- ВаН ских веществ и их связи с минеральной частью почвы. : НИЧ Гумус, образовавшийся в условиях аэрации: fcf0p _ (грубый гумус) содержит много детрита, формируется и низкой биологической активности в условиях кислой и сильнокислой реакции среды (пример — гумус подзолистых почв). Модер — формируется в условиях кислой реакции среды при средней биологической активности, имеет слабое сцепление с минеральной | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||