Разложение органических остатков в почве

Опавшие части растений, тела умерших животных и микроорганизмов начинают разлагаться сначала под влиянием собственных ферментов окисления — оксидаз, оставшихся в органических клетках. Затем в этот процесс вступают живущие в почве микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли) и другие представители почвенной фауны, которые используют органическое вещество в качестве пищи.

Большая часть бактерий и грибов требуют для своего существования водорастворимые органические соединения, в то время как основная масса растительных остатков, поступающих в почву, состоит из нерастворимых в воде веществ: клетчатки, лигнина, белков, жиров и др. Поэтому микророганизмы с помощью выделяемых ими ферментов подвергают эти вещества гидролизу, в результате чего клетчатка распадается на молекулы глюкозы, белки — на аминокислоты, гемицеллюлоза — на сахара и т. п.

В таком виде продукты гидролиза уже могут усваиваться микроорганизмами. Часть продуктов гидролиза расходуется ими на построение своих тел, а другая используется как энергетический материал, при окислении которого выделяется необходимая для их жизни энергия. Ниже приводится схема разложения растительных остатков и образования гумуса по И. В. Тюрину.

В зависимости от условий процессы разложения растительных остатков могут быть самыми различными, но все они направлены на минерализацию органических остатков вплоть до образования углекислоты и воды. Вместе с тем в почвах идут синтетические процессы, в результате которых продукты разложения подвергаются частичному окислению, полимеризации, уплотнению, соединению друг с другом. В итоге в почве образуются гумусовые вещества — совершенно новые вещества, не содержащиеся ни в исходных органических остатках, ни в продуктах микробного синтеза. В дальнейшем они также минерализуются, превращаясь в воду, углекислоту и минеральные соли. Однако разложение их идет значительно медленнее, чем первичных растительных остатков, поэтому они постепенно накапливаются в почве.

В анаэробных условиях может развиваться процесс, близкий к гумификации. Он приводит к образованию битумов и называется процессом битумизации.

Скорость минерализации зависит от внешних условий: доступа воздуха, влажности и температуры почвы. Сухие растительные остатки почти не поддаются разложению. С увеличением влажности скорость быстро нарастает. При малой влажности и сравнительно высокой температуре преобладает окисление органики, ведущее к образованию гумуса. Дальнейшее увеличение влажности способствует разложению органического вещества только до известного предела (60—80% от полной влагоемкости почвы), за которым начинается снижение скорости этого процесса. Это объясняется тем, что при высокой влажности прекращается доступ воздуха в разлагающуюся массу растительных остатков. Создаются анаэробные условия, которые подавляют гумификацию. На поверхности почвы накапливается торф, представляющий собой недоокисленные полуразложившиеся растительные остатки.

Разложение растительных остатков зависит и от температуры воздуха. При температуре ниже 0°С все микробиологические процессы: затухают. С повышением ее разложение идет с нарастающей скоростью также до известного предела. При температуре выше 35°С деятельность большинства микроорганизмов, участвующих в минерализации органического вещества, затухает.

Показатели тепловых свойств и тепловой баланс

Теплово́й режи́м почв — совокупность и последовательность всех явлений поступления, перемещения, аккумуляции и расхода тепла в почве на протяжении определенного отрезка времени (так различают суточный и тепловой режимы). Основным показателем теплового режима является температура почвы (на разных глубинах почвенного профиля). Она зависит от климата, рельефа, растительного и снежного покрова, тепловых свойств почвы.

 

Тепловой режим обусловлен преимущественно радиационным балансом, который зависит от соотношения энергии солнечной радиации, поглощенной почвой, и теплового излучения. Некоторое значение в теплообмене имеют экзо- и эндотермические реакции, протекающие в почве при процессах химического, физико-химического и биохимического характера, а также внутренняя тепловая энергия Земли. Однако два последних фактора оказывают незначительное влияние на термический режим почвы. Количество тепла, приходящее изнутри земного шара к поверхности почвы, составляет всего 55 кал (230 Дж)/см² в год.

 

Радиационный баланс изменяется в зависимости от широты местности и времени года. В тундре он равен 10-20 ккал (42-84 кДж)/см², в южной тайге — 30-40 (126—167), в черноземной зоне — 30-50 (126—209), а в тропиках превышает 75 ккал (314 кДж)/см² в год.

 

И величина радиационного баланса, и дальнейшее преобразование фактически поступившего в почву тепла теснейшим образом связаны с тепловыми свойствами почвы: теплоемкостью и теплопроводностью. Однако наиболее крупные изменения в тепловом режиме почв определяются различиями общеклиматических условий. чаще всего о тепловом режиме судят по её температурному режиму. Температурный режим графически изображается в виде термоизоплет — кривых, соединяющих точки одинаковых температур.

 

Температурный режим почв следует за температурным режимом приземного слоя, но отстает от него. Средние годовые температуры почвы возрастают с севера на юг и с востока на запад. В пределах России и сопредельных государств среднегодовая температура почвы изменяется в пределах от −12 до +20°С. Выделяются 2 области — положительных и отрицательных среднегодовых температур почвы на глубине 20 см. Геоизотерма 0°С проходит по диагонали с северо-запада на юго-восток. Область отрицательных среднегодовых температур на глубине 20 см в основном совпадает с областью распространения многолетнемерзлых пород.

 

Типы температурного режима почв — по классификации В. Н. Димо выделяются следующие Т. т. р. п.:

 

Мерзлотный. Среднегодовая температура профиля п. имеет отрицательный знак. Преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием почвенной толщи до верхней границы многолетнемерзлых пород;

Длительно-сезонно-промерзающий. Преобладает положительная среднегодовая температура профиля п. Отрицательные температуры проникают глубже 1 м. Длительность процесса промерзания не менее 5 месяцев. Сезонно промерзающая толща не смыкается с многолетнемерзлыми породами. Не исключено отсутствие многолетнемерзлых пород;

Сезонно-промерзающий. Среднегодовая температура профиля п. положительная. Сезонное промерзание может быть кратковременным (несколько дней) и продолжительным (не более 5 месяцев). Подстилающие породы немерзлые;

Непромерзающий. Среднегодовая температура профиля п. и температура самого холодного месяца положительные. Промерзания не наблюдаются. Подстилающие породы немерзлые.

Механизм гумификации

Гумифика́ция — это процесс образования специфических гумусовых веществ в результате трансформации органических остатков.

 

В широком смысле слова под гумификацией понимают совокупность процессов превращения исходных органических веществ в гуминовые кислоты и в фульвокислоты и процессов, определяющих уровень накопления и соотношения этих кислот в почве.

 

Было предложено несколько гипотез образования гумусовых кислот, или механизмов гумификации. Наибольшее значение из них имеют конденсационные (полимеризационные) гипотезы и гипотезы окислительного кислотообразования.

 

Степень гумификации органического вещества[1] — отношение количества углерода гумусовых кислот к общему количеству органического углерода почвы, выраженное в массовых долях.

Гуми́новые кисло́ты[1] — группа тёмноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и нерастворимых в кислотах.

 

Гуминовые кислоты — сложная смесь высокомолекулярных природных органических соединений, образующихся при разложении отмерших растений и их последующей т. н. гумификации (биохимического превращения продуктов разложения органических остатков в гумус при участии микроорганизмов, воды и кислорода). В сухом состоянии — неплавкий аморфный тёмно-бурый порошкообразный продукт. Гуминовые кислоты входят в состав органической массы торфа, углей, некоторых почв и лигносульфоната (побочный продукт переработки древесины), откуда извлекаются обработкой слабыми водными растворами щелочей.

 

Гуминовые кислоты влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие водных микроорганизмов, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия).

 

Гуминовые вещества (от лат. humus — земля) впервые были выделены в 1786 году немецким учёным Францем Ахардом из торфа. Позднее источниками для получения ряда препаратов на основе гуминовых кислот стали служить почвы, сапропель, бурые угли и лигносульфонат. В России гуминовые препараты, изготавливаемые из торфа, бурого угля, сапропеля и лигносульфоната, используются для подкормки сельскохозяйственных животных и растений с начала второй половины XX века по настоящее время. Препараты, изготовленные на основе гуматов (Гумат калия/натрия с микроэлементами, Гумат+7, Гувитан-С, Витапдин, Гермивит, Гумивит, торфогель), содержат аминокислоты, полисахариды, углеводы, витамины, макро- и микроэлементы, гормоноподобные вещества. Они относятся к высокомолекулярным соединениям, характеризуются устойчивостью, полидисперсностью. Гуматы обладают сорбционными, ионообменными и биологически активными свойствами. Эксперименты доказывают, что использование гуматов обеспечивает экологическую чистоту продукции на фоне ионизирующей радиации и загрязнения окружающей среды гербицидами, пестицидами, соединениями тяжёлых металлов и другими токсичными веществами.

 

Гумусовые кислоты образуют прочные соединения с ионами металлов, чем определяется их глобальная геохимическая роль. Различающиеся по растворимости группы гумусовых кислот — фульвокислоты и гуминовые кислоты — выполняют противоположные геохимические функции. Фульвокислоты повышают миграционную способность элементов в земной коре, а гуминовые кислоты представляют собой мощный геохимический барьер. Взаимодействие с гумусовыми кислотами — начальный шаг в цепочке процессов, ведущих к аккумуляции благородных металлов в углеродистых породах и формированию рудных месторождений[2].

Фульвокислоты (ФК)[1] — группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах.

 

Фульвокислоты — наиболее агрессивная фракция гуминовых веществ. Имеет специфический элементный состав (CHO), отличный от гуминовых кислот. Выделяют из растворов на активированном угле, полимерных смолах.

 

Выделяют четыре фракции фульвокислот. Это деление основано в первую очередь на реакционной способности фракций, а именно условиях выделения. Фракция Iа, наиболее агрессивная свободная фракция. Фракция I также свободная. Фракция II представлена соединениями с кальцием. Фракция III связана с полуторными оксидами и глинистыми минералами.

Гумусовые кислоты[1] — класс высокомолекулярных органических азотсодержащих оксикислот с бензоидным ядром, входящих в состав гумуса и образующихся в процессе гумификации.

 

Группы гумусовых кислот:

 

Гуминовые кислоты (ГК) — группа темноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и нерастворимых в кислотах.

Гиматомелановые кислоты (ГМК) — группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле.

Фульвокислоты (ФК) — группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах.

Механизм гумификации рассматривается в 3-х гипотезах:

 

Конденсационная гипотеза, которую описала М.М. Кононова, исходя из теоретических построений И.В. Тюрина. Суть ее состоит в следующем. Процесс гумификации растительных остатков идет параллельно процессу минерализации. Все компонеты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах: а) продуктов распада растительных остатков (фенольные соединения из лигнина, танина и др. соединений), б) продуктов метаболизма (фенольные соединения – метаболиты, образующиеся при использовании углеводов микроорганизмами), в) продуктов распада и ресинтеза (аминокислоты и пептиды при разложении белков, продукты метаболизма микроорганизмов). Ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является реакция конденсации структурных единиц, которая проходит путем окисления фенолов до хинонов и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами. Таким образом, специфической реакцией гумификации является конденсация фенольных соединений и хинонов с аминокислотами и пептидами. Эта реакция дает темноокрашенные гумусовые вещества.

 

Гипотеза окислительного кислотообразования (или деградации биополимеров), по Л.Н. Александровой, основана на 3-х этапах: а) новообразование гумусовых веществ, б) их дальнейшая гумификация и консервация, в) постепенное медленное разрушение гумуса. Окисление происходит с участием оксидаз, в реакциях участвуют высокомолекулярные соединения, входящие в состав растительных остатков. Поэтому уже на первых этапах разложения образуются высокомолекулярные кислоты с различными молекулярными массами. Формирование азотистой части молекулы гумусовых кислот происходит по мере гумификации, когда снижается доля гидролизуемых форм соединений азота и нарастает относительное содержание более устойчивых, негидролизуемых компонентов, в т.ч. азота гетероциклических соединений.

 

Оба пути гумификации реально существуют. Преобладание того или иного зависит от факторов почвообразования. В подзолистых, горных почвах, где ослаблена микробиологическая деятельность, путь трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов распада протекает по Л.Н. Александровой. В почвах с высокой биохимической активностью вполне вероятно более глубокое и более быстрое ферментативное расщепление высокомолекулярных соединений до мономеров. Поэтому гумус черноземов сформирован по схеме М.М. Кононовой.

 

 

Гипотеза фрагментарного обновления гумуса принадлежит А.Д. Фокину. Суть состоит в том, что продукты разложения не формируют целиком гумусовую молекулу, а в результате конденсации сначала включаются в периферические фрагменты уже сформированных молекул, затем образуют более устойчивые циклические структуры. Поэтому атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счет новых поступлений органического материала. При этом, периферические фрагменты гуминовых кислот обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Гипотеза фрагментарного обновления гумуса хорошо объясняет роль свежего растительного вещества (зеленые удобрения) и органических удобрений (навоз, компосты) в повышении запасов гумуса в почве.

Исходя из представлений о различной биотермодинамической устойчивости органических соединений, Д.С. Орлов сформулировал кинетическую теорию гумификации. Известно, что от устойчивости соединений зависит скорость их распада или трансформация. Гумусовые вещества более устойчивы к биодеградации, чем органические соединения попадающих в почву растительных остатков. Поэтому гумусообразование можно рассматривать как процесс «отбора», при котором непрочные вещества растительных остатков и продуктов их трансформации разлагаются за короткий промежуток времени, а гуминовые кислоты как наиболее устойчивые соединения подвергаются непрерывным превращениям. Иначе говоря, процесс гумификации всегда имеет одно направление – отбор устойчивых продуктов, независимо от факторов почвообразования и типа почвы. Отсюда гумификация – глобальное явление, а гумусовые вещества всех почв имеют общий принцип строения. Глубина гумификации – это степень преобразования органических остатков в гумусовые вещества. Она увеличивается по мере накопления гуминовых кислот и нарастания их «зрелости». Скорость преобразования органических остатков в гумусовые вещества зависит от скорости отдельных стадий процесса и условий среды: концентрации реагирующих компонентов, влажности, температуры, реакции почвенного раствора, окислительно-восстановительного потенциала и т.п. Д.С. Орлов считает, что зависимость скорости гумификации и ее стадий от перечисленных параметров характеризует кинетику реакции (отсюда название теории). Глубину гумификации можно оценить количественно с помощью содержания гуминовых кислот в составе гумуса, отношения ГК:ФК, оптической плотности гумусовых веществ.

69. болотный процесс почвообразования

В настоящее время болотоведы, почвоведы и ученые других специальностей, работающие в области изучения болот, придерживаются гидрологической теории заболачивания и первопричину этого процесса видят в переувлажнении территории. При этом учитываются географическое положение, рельеф, местная геологическая обстановка, водопроницаемость грунтов, характер поверхностного и внутрипочвенного стока, наличие или отсутствие вечной мерзлоты, подтопляемость территории уже существующими болотными массивами.

Важное значение придается нарушениям естественно сложившегося водного баланса территории вследствие вырубки лесов, ветровалов и пожарищ. Иными словами, современный уровень знаний не позволяет принять схему болотной стадии дернового периода В. Р. Вильямса. Часть болот образовалась при зарастании водоемов, которые становились очагами возникновения болот на части торфяных массивов. Сущность процесса образования болот этого типа детально описана В. Н. Сукачевым, а в последующем — И. Д. Богдановской-Гненеф, Н. И. Пьявченко и другими исследователями. При заторфовывании водоемов процессу болотного почвообразования предшествует стадия осадконакопления (образования озерных мергелей, глин, песков, сапропелей). По мере заполнения водоема осадками данная растительность появляется над поверхностью воды, а в мелководной прибрежной части озер начинаются процессы болотного почвообразования. Основным итогом этого процесса является формирование профиля торфяной почвы.

В случае заболачивания суши образование торфяной почвы идет по другой схеме. Постоянно избыточное переувлажнение минеральной почвы приводит почти к полному насыщению почвенных пор влагой. Проникновение в почву атмосферного воздуха сильно замедляется. Вода, проходя через гумусовые горизонты почв, полностью лишается кислорода. Анаэробиозис приводит к оглеению минеральных горизонтов и появлению закисных соединении. Жизнедеятельность аэробных микроорганизмов-сапрофагов подавляется. Это приводит к резкому замедлению процессов минерализации растительных остатков. Развивается фитоценоз, приспособленный к создавшимся условиям. Над глеевым горизонтом начинает формироваться органогенный горизонт, состоящий из полуразложившегося органического вещества — торфа.

На первой стадии своего развития органогенный горизонт А составляет менее 50 см и подстилается минеральным глеевым горизонтом О. При дальнейшем нарастании толщи торфа образуется горизонт А. Глеевый горизонт остается как реликт прежнего почвообразования. Толща торфа может достигать нескольких метров.

Раньше вся торфяная залежь отождествлялась с торфяной почвой. Разграничение понятий «торфяная почва» и «торфяная залежь» дано Д. А. Герасимовым, а вслед за ним и И. Н. Скрынниковой. И. Н. Скрынникова предлагает разделять всю толщу торфяной залежи на торфяную почву и торфорганогенную породу, которая является одновременно и материнской породой для торфяной почвы. К торфяной почве она относит верхний биологически активный (35—50, максимум 70 см) слой торфяника, в котором анаэробные процессы периодически сменяются аэробными. Здесь происходит частичное разложение растительных остатков.

Нижняя граница почвы совпадает с максимальным опусканием грунтовых вод во время летней подсушки торфяника и нижней границей корнеобитаемого слоя. Более глубокие слои торфа относятся к торфорганогенной породе. Здесь при постоянном избытке влаги господствуют анаэробные процессы и осуществляется консервация торфа.

Границей, разделяющей верхнюю часть торфяника, где происходит современное почвообразование, и нижнюю часть с породообразовательными процессами, является зона устойчивого затухания почвенных процессор. Иными словами, верхняя часть профиля торфяника является современной почвой, а нижние слои — погребенными почвенными горизонтами, служащими своеобразной материнской породой для современной почвы. В случае образования торфяника по типу зарастания водоемов самые нижние его слои проходят стадию озерного осадконакопления.

Б. Б. Полынов объясняет многие стороны болотного процесса почвообразования. Согласно его учению любой географический ландшафт (непременным компонентом которого является почва) не представляет собой равновесной системы, а находится в состоянии неизменного развития. Эти изменения в ландшафте находят свое отражение и в почвах.