Органическое вещество почвы

Лекция 6 Организмы и их роль в почвообразовании. Органическое вещество почвы. Состав и строение почвенного гумуса. ОРГАНИЗМЫ И ИХ РОЛЬ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ И ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ. Важной частью почвообразовательного процесса является взаимодействие между горной породой и организмами. Оно заключается: -Во- первых – в непосредственном обмене веществ с начала между горной породой, затем возникающей из нее почвой и организмами. -Во- вторых – горная порода взаимодействует с отмершими организмами. Органическое вещество богато химической энергией. Последняя в процессе разложения освобождается и в конечном итоге рассеивается в форме тепловой энергии, выделяющейся при окислительных процессах. Выделено три группы организмов: зеленые растения, микроорганизмы, животные населяющие почву. При воздействии организмов осуществляются важнейшие звенья почвообразования, а именно: -разрушение и синтез органического вещества; -избирательная концентрация биологически важных элементов; -разрушение и синтез минералов; -миграция и аккумуляция веществ. Это и составляет сущность почвообразовательного процесса и определяет формирование главного свойства почвы – плодородие. ЗЕЛЕНЫЕ РАСТЕНИЯ. Зеленые растения - первоисточник органических веществ в почве. Зеленые растения осуществляют - поступление из почвы элементов питания, - синтез органической массы и возврат ее в почву после завершения жизненного цикла - трансформируют минералы почвы , - формируют сложение и структуру почвы, - регулируют водно – воздушный и тепловой режим почвы. Следствием биологического круговорота является – плодородие. С точки зрения почвоведения выделяются следующие формации: 1. группа деревянистых формаций – включает, таежные леса, широколиственные леса, влажные субтропические и тропические (так называемые дождевые) леса. Лесная растительность создает определенный микроклимат: 1. уменьшается физическое испарение, 2. откладывается органика на поверхность почвы (около 70%), 3. консервируется значительное количество азота и зольных элементов. 2. группа переходных деревянисто – травянистых формаций – включает, ксерофитные леса и саванны. 3. группа травянистых формаций – включает, суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические и кустарниковые степи. Травянистая растительность (70% органики идет к корням и участвует в почвообразовании) 1.Богата азотом, зольными веществами, которые возвращаются в почву ежегодно, 2.Разложение травянистой растительности происходит непосредственно в почве. 3.Корневые системы и продукты их гумификации оструктуривают почву в целом, и особенно верхние горизонты почвенного профиля. 4. группа пустынных формаций – включает, суббореальная с летним циклом вегетации, субтропическая с зимним циклом вегетации, тропическая. Растительность редкая. Биомасса небольшая. 5. группа лишайниково – моховых формаций – включает тундры и верховые болота. Консервация биомассы. Мохово – лишайниковая растительность 1.Накопление и консервация огромной биомассы (мощность торфа может достигать 20 м.), благодаря малой интенсивности биологического круговорота и высокой влагоемкости мхов. Максимальное количество биомассы накапливается в лесных сообществах. Каждая из перечисленных формаций характеризуется своими особенностями: составом, поступлением в почву, процессами разложения. Например – в степи основной опад, это корни, а в лесу наоборот – листва. МИКРООРГАНИЗМЫ. бактерии, грибы и актиномицеты, водоросли и лишайники. Количество микроорганизмов в почве очень велико. Количество микроорганизмов в почве меняется. Увеличивается с севера на юг. Весной преобладают грибы, летом – бактерии, осенью снова грибы. Наибольшее количество их в подстилке и гумусовом горизонтах, уменьшается с глубиной. Только в почвах со вторым гумусовым горизонтом (иллювиально – гумусовый –Вh), наблюдается второй максимум микроорганизмов. Здесь образуются скопление железисто – марганцевых микроорганизмов. В глинистых и суглинистых иллювиальных горизонтах микроорганизмов очень мало и проникают они в основном по корневым ходам. Больше всего микроорганизмов вокруг корней. Количество микроорганизмов в разных почвах России по данным прямого подсчета под микроскопом Количество микроорганизмов в почвах по Е.Н Мишустину Название количество микроорганизмов, Почвы млн. на 1 га почвы Подзолы целлинные 300 – 600 Дерново – подзолистые 600 – 1000 Подзолистые пахотные 1000 – 2000 Чернозем целинный 2000 – 2500 Чернозем пахотный 2500 – 3000 Серозем целинный 1200 – 2000 Серозем пахотный 1800 – 3000 БАКТЕРИИ Большая часть бактерий – гетеротрофы, то есть требующие для своего существования готового органического вещества. Меньшая часть бактерий – автотрофы, не требуют органического вещества. По отношению к кислороду бактерии разделяются на две группы : - аэробные – требующие для своего существования свободного кислорода, - анаэробные – не требующие свободного кислорода. Бактерии существуют в почвах, с реакцией среды близкой к нейтральной (РН= 5,5 – 7.) в таежных лесах, где у почв кислая реакция среды господствуют грибы, а не бактерии. ГРИБЫ Большая часть грибов и актиномицетов гетеротрофы и аэробы, поэтому развиваются в основном в верхних горизонтах почвенного профиля (как правило горизонт – О) Наиболее благоприятная среда для грибов – кислая (РН=4), для актиномицетов – нейтральная (РН = 7 – 7,5) Многие грибы разрушают минералы и переводят их в раствор – фактор положительный. Многие грибы подкисляют почву, что замедляет разложение органики – фактор отрицательный. ВОДОРОСЛИ Виды водорослей в почвах: - зеленые, - сине – зеленые - диатомовые. По массе не уступают грибам. Больше их под травянистой растительностью, меньше под лесной. Это автотрофы, поэтому они создают органическое вещество за счет углекислоты, воздуха (азот) и солнечной энергии увеличивая тем самым биомассу (увеличивают массу органики). Водоросли могут жить и в более глубоких слоях почвы – в этом случае они ведут себя как гетеротрофы. ЛИШАЙНИКИ Состоят из грибов и водорослей. Гриб обеспечивает водой и растворимыми в ней минеральными солями, водоросли же вырабатывают углеводы, которые использует гриб. Лишайники выделяют кислоты, способствующие растворению субстрата. Лишайники — одни из «пионеров» биоценозов — являются, как правило, первыми организмами, заселяющими субстрат. Они крепятся к поверхности горной породы или даже проникают внутрь. После их отмирания поверхность породы густо усеяна ямками. Затем в них появляется зелёный слой водорослей. Лишайники играют важную роль в выветривании и почвообразовании, часто повсеместно охватывая скалы. ЖИВОТНЫЕ НАСЕЛЯЮЩИЕ ПОЧВУ. • простейшие, • беспозвоночные (дождевые черви) • позвоночные. ПРОСТЕЙШИЕ. К ним относятся жгутиковые(Flagellita), корненожки (Rhizopoda ) инфузории (Cilita). Простейшие являются гетеротрофами и аэробами. Обитают в верхних горизонтах почвенного профиля. В засушливые периоды и в зимнее время количество простейших резко сокращается. Роль простейших в почвообразовании до настоящего времени выяснена недостаточно. Одни почвоведы считают, что простейшие, поедая бактерии, играют отрицательную роль в почвообразовании. Другие считают, что простейшие, поедая старые бактерии, способствуют активному размножению новых. ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ. Беспозвоночные - дождевые черви. Число дождевых червей в дерново- подзолистой почве (тыс.на 1 га.) Культуры Число дождевых червей(в слое 0 – 45см). Многолетние травы 1500 Озимая пшеница 800 Овес 560 Рожь 360 Дубовый лес 2960 Еловый лес 610 Деятельность дождевых червей в почвообразовании весьма разнообразна: 1. улучшают физические свойства почвы: 2. повышают аэрацию, 3. пористость, 4. водопроницаемость. 5. значительно возрастает количество гумуса, в почвах обогащенных, копролитами. 6. увеличивается сумма обменных оснований, 7. улучшают агрохимические и физические свойства почвы, улучшают ее плодородие. НАСЕКОМЫЕ. жуки, пауки, муравьи, и т. д. - измельчают минеральную и органическую части почв, - перемешивают их друг с другом, - способствуют активизации биохимических процессов, улучшая водный, тепловой и воздушный режимы почв, - поставщики органики в почву после окончания своей жизнедеятельности. ПОЗВОНОЧНЫЕ ПОЧВЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ Грызуны: мыши, кроты, хомяки, землеройки и др. - перемешивают органическую массу в почве с ее минеральной частью, в следствие чего улучшаются водные, воздушные и тепловые свойства почв, и активизируются процессы разложения органики и минеральной части почвы. Однако, избыточное количество позвоночных животных в почве, особенно на сельскохозяйственных полях, наносит вред урожаю. ОБРАЗОВАНИЕ, СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГУМУСА Превращение органических остатков – это сложные биохимические процессы. Растительные остатки разлагаясь становятся более подвижными и растворимыми соединениями. 1.Часть разложившихся остатков минерализуются и используются новыми поколениями микроорганизмов или исчезают из почвы в виде воды и углекислого газа. 2.Другая часть используется микроорганизмами для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов и других соединений (белки, жиры, азотистые соединения) 3. Некоторая часть превращается в гумусовые кислоты. Процесс разложения и превращения органических веществ в гумусовые вещества носит название – процесс гумификации, который может протекать только в аэробных условиях. Таким образом гумусовые вещества представляют собой синтез высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений цикличного строения и кислотной природы , которая предопределяет их взаимодействия с минеральной частью почвы, и возможность закрепления в ней. Аналогичный процесс накопления органики в анаэробных условиях получил название – процесс битуминизации. На образование и накопление гумуса влияют следующие факторы: 1.Состав органических остатков. Он весьма разнообразен. Большую часть их составляет вода (75 – 90 %), а в состав сухого вещества входят: лигнин, углеводы, азотистые вещества, жиры и близкие к ним вещества, смолистые и дубильные вещества и др. 1.Наиболее быстро разрушаются(разлагаются) сахара и органические кислоты. 2. быстро разрушаются азотистые вещества 3.медленнее клетчатка и гемицеллюлоза, 4.еще медленнее – лигнин Замедляют разложение органики дубильные вещества. 2. Влажность. Сухие остатки органики не разлагаются. При малой влажности разложение идет медленно. Летом, при высыхании почвы процессы разложения замедляются, а процессы гумификации продолжаются. Увеличение влажности ускоряет процессы разложения до определенных пределов (60 – 80 %) от полной влагоемкости, при большей влажности разложение замедляется из-за нехватки воздуха, процессы гумификации заменяются на процессы битуминизации. 3. Аэрация (доступ воздуха) – в отсутствие кислорода или его нехватки (анаэробные условия) разложение органики замедляется или прекращается совсем. В этих условиях будет протекать процесс битуминизации. 4. Температура воздуха – при температуре ниже - 00с, процессы разложения органических остатков затухают. С повышением температуры разложение органики микроорганизмами идет нарастающим итогом, но до определенных пределов, главным образом до +35ос. При более высоких температурах разложение снова замедляется (идет резкое понижение влажности). 5. Подвижность влажности – в условиях промывания почвы сначала, процессы разложения идут быстро, но потом замедляются. После вымывания кальция и магния (щелочноземельные основания (Са и Мg) среда становится кислой и разложение замедляется. Надо иметь в виду, что процессы разложения органики идут активно только при благоприятном сочетании всех перечисленных факторах. По данным И.В. Тюрина запасы гумуса в почвах будут следующие (т /га). Тип почвы Запасы гумуса (т/га) Типичные сероземы 80 Светло – каштановые 120 Темно – каштановые 250 Предкавказские черноземы 390 Обыкновенные черноземы 450 Мошные (типичные) черноземы 760 Выщелочные черноземы 555 Темно – серые лесные 475 Серые оподзоленные 230 Подзолистые лесные 110 Красноземы субтропические 300 Перегнойно карбонатные 150 Для сравнения – в однометровом слое торфа 750 что накапливается гумус тысячелетиями, а уничтожить его возможно за несколько лет. Поэтому обращаться с ним надо очень осторожно. Следует помнить, Химический состав гумуса. Выделяют три главные группы гумусовых веществ 1) Гуминовые кислоты, 2)Фульвокислоты (ранее называли креновые и апокреновые), 3)Гумин и ульмин. 1)Гуминовые кислоты – элементарный химический состав : С – 52 – 58 % , Н – 3,3 – 4,8 %, N – 3,6 – 4,1 %, О – 34,0 – 39,0 %. При переходе от северных почв к южным повышается содержание гумуса. Постоянным компонентом гуминовых кислот является азот. Часть азота представлена продуктами распада белков – аминокислотами, другая часть азота –прочно связана с ядром В группе гуминовых кислот выделяют: -бурые гуминовые кислоты; -черные гуминовые кислоты; которые образуют соли с кальцием и магнием. По химическому составу гуминовые кислоты представляют собой настоящие органические кислоты В состав их входят карбоксильные группы (СООН), фенольные группы (ОН), группы (ОСН3), и карбонильные группы (СО).В состав ядра гуминовых кислот входят бензольные кольца. Гуминовые кислоты в свободном виде представляют собой черный блестящий порошок. При обработке водой дают слабые коллоидные растворы буроватого цвета. Со щелочными катионами -Na, К и аммония дают легко растворимые в воде простые соли. С двухвалентными катионами Са и Мg и с трехвалентными катионами – Fe, Al –гуминовые кислоты дают сложные соли, нерастворимые в воде. 2) Фульвокислоты – могут быть разделены на креновые и апокреновые. Химический состав: С – 45,3%, Н – 5,0%, N 2,4%, О – 47,3%. Следовательно в фульвокислотах углерода и азота меньше, а кислорода и водорода больше, чем в гуминовых кислотах. Соли фульвокислот со щелочными металлами (Nа и К), и с кальцием ( Са) и магнием (Мg) – растворимы в воде и только с трехвалентными катионами железа и алюминия (Аl, Fе) дают нерастворимые соли. Следовательно, фульвокислоты по сравнению с гуминовыми, более подвижны и имеют более кислую реакцию. Поэтому в гумусово – иллювиальных горизонтах подзолистых почв фульвокислоты закрепляются в виде соединений (солей) с железом и алюминием. 3) Гумин и ульмин – до настоящего времени изучены слабо. Относят к самой инертной части почвенного гумуса. По данным Тюрина гумин и ульмин представляют собой сложные комплексы кислот, соединенных по типу сложных эфиров. В состав почвенного гумуса входят и битумы. Содержание их в гумусе невелико -2-4%, достигая 10 – 20% в заболоченных почвах. Состав гумуса в различных почвах неодинаков. Их различия определяется соотношением гуминовых кислот к фульвокислотам (ГК/ФК) На основе этих соотношений в настоящее время выделяют четыре типа гумусонакопления:-Фульватный –ГК/ ФК < 0,6 -Гуматно – фульватный –ГК/ ФК -0,6 -0,8 -Фульватно – гуматный - ГК/ ФК -0,8 – 1,2 - Гуматный – ГК ФК >1,2 По данным Кононовой (1951) соотношение гуминовых кислот к фульвокислотам в разных почвах будет следующим: -подзолистые почвы – ------------------------0,5 -дерново – подзолистые----------------------0,79 -темно – серые----------------------------------1,11 -обыкновенный чернозем--------------------1,6 -темно – каштановая---------------------------1,7 -светлый серозем-------------------------------0,7 -краснозем---------------------------------------0,8 Тюрин, доказал, что по мере продвижения на юг от подзолистых почв к черноземам и каштановым увеличивается в гумусе количество гуминовых кислот и уменьшается содержание фульвокислот. Органическое вещество лесных почв. Отличительная черта накопления гумуса в лесных почвах, это то, что подавляющая часть органических остатков поступает на поверхность почвы, а не по всему почвенному профилю, как на луговых почвах. Процессы разложения остатков в лесу происходят по разному в зависимости от рельефа, обуславливающего разную влажность, от сомкнутости полога, от растительности, материнской породы и т.д. Поступление органической массы на поверхность при наличии достаточного количества кислорода на первый взгляд кажется приводит к быстрому разложению органики, но на самом деле этого не происходит. Имеется одно условие, которое замедляет процесс разложения опада в лесу и приводит к накоплению подстилки. Это связано с процессом нейтрализации. Основания при разложении органики быстро вымываются, кислотность увеличивается, которая сама по себе снижает интенсивность разложения. Кислотность же отрицательно действует на развитие бактерий, что также снижает интенсивность разложения. Помимо этого опад хвойных содержит большое количество смолистых веществ, которые действуют как антисептики, что также тормозит процесс разложения. Все это приводит к тому, что в лесу, особенно в хвойном, накапливается подстилка. Быстрому разложению органики в лесу способствуют: – теплый климат, – разреженность насаждений, обеспечивающая достаточный приток света, тепла и влаги, – смешанный состав насаждений или преобладание лиственных, опад которых распадается быстрее, отсутствие застоя воды, наличием стока и соответственно хорошим доступом кислорода, наличием в почве кальция В этих условиях образуется очень маленькая подстилка, как правило не более 2 см.(муль – мягкий гумус). Горизонт «А» - хорошо выражен, довольно мощный, хорошо оструктурен. Если выше перечисленные факторы не наблюдаются допустим в понижениях густых хвойных лесов идет быстрое накопление подстилки. Роль органического вещества в почвообразовании, плодородии и питании растений. Органическое вещество играет разнообразную роль в почве, как в формировании характерных признаков почвы, так и в протекании различных процессов трансформации, массопереноса, питании растений. В почве формируются различные группы органических веществ, следовательно и функции их различны. А. Функции, связанные с генезисом почвы, формированием ее морфологических признаков, вещественного состава и свойств. 1) формирования специфического органо – профиля. 2) агрегатообразрвание с участием гумусовых и глиногумусовых соединений, взаимодействие гумуса с минералами и формирования микробиологических термодинамических структур. 3) формирования сложения и влияния гумусовых веществ на водно – физмческие свойства почв. 4) формирование лабильных миграционно способных соединений и вовлечение минеральных компонентов почвы в биологичекий круговорот. 5) формирование сорбционных кислотно – основных и буферных свойств почвы. Б. Функции связанные с прямым участием органических веществ в питании растений. 1)Источник элементов питания (минерального) для высших растений .(N P K Ca и микроэлементы). 2)Источник питания для гетеротрофных организмов и влияние на биологическую и биохимическую активность почвы. 3)Источник СО2 в приземном слое воздуха и влияние на продуктивность фотосинтеза. 4)Источник биологически активных веществ в почве. В. Санитарно – защитные функции 1) ускорение микробиологической деградации пестицидов (разложение их) 2) закрепление загрязняющих веществ в почве (сорбция, комплексообразование), и тем самым уменьшение поступления их в растения. 3) усиление миграционной способности токсикантов. Превращение азота в почве. В настоящее время выделены следующие пути поступления азота в почву: 1) Аммиачная (NH3) форма азота (аммиак), поступающая в почву с атмосферными осадками при грозовых разрядах. Форма азота для растений доступна. 2) Усвоение азота из атмосферного воздуха микроорганизмами (свободно живущие и обитающие микроорганизмы на корнях бобовых растений – бактерии азотофиксаторы). 3) Из органических веществ при их разложении. Этот путь поступления азота в почву является основным, так как дает 80 – 90 % всего почвенного азота. В лесном опаде 1 % всей биомассы составляет азот. При ежегодном опаде в лесу 3-4 т/га., азота поступает в почву 30 – 40 кг/га. Органика – разложение до АМК – аммонификация NH3 – нитрификация в нитратную (HNO3) через нитритную (HNO2) – улетучивается в атмосферу N2. Разложение органики с выделением азота проходит несколько ступеней: А – Разложение органики (главным образом белков) на аминокислоты – часть аминокислот может усваиваться микроорганизмами, для высших растений азот в виде аминокислот не доступен. Б – Аммонификация – отщепление азота от аминокислот в виде аммиака –NO3.. растений в такой форме азот может усваиваться растениями и микроорганизмами. В – Нитрификация – превращение аммиачной формы азота в нитратную по следующей схеме: -2NН3 + 3О2 = 2НNO2 + 2Н2О -2НNО2 + О2 =2НNО3 Нитритная форма азота – НNО2 (NО2).- в почве переходно – кратковременная и для растений вредная (ядовитая). Нитриты соединяясь с кислородом дают нитратную форму азота-НNО3 (NО3) усваемого растениями и микроорганизмами. Г – Улетучивания свободного азота в атмосферу 4НNО3 = 2Н2О + 2N2 +5О2 Ступени превращения азота в почве позволяют говорить о груговороте азота в природе – атмосфера –почва – атмосфера. Следует отметить, что каждая растительная ассоциация требует своего азотного питания: -сложные древостои требуют для себя нитратную форму азота; Хвойные влажные зеленомошники и долгомошники требуют амиачную форму питания азотом; Травянистые ассоциации требуют смешанного нитратно – аммиачного питания азотом и т.д.