Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Органическое вещество (ОВ) – это совокупность разложившихся и неразложившихся остатков флоры и фауны, сконцентрированных в верхних горизонтах почвы. Источники поступления: наземный опад, отмершие растения (их растительные остатки и корешки), не потерявшие анатомического строения, остатки животных и мертвой микробной массы, а также продукты их жизнедеятельности. Т. о., состав ОВ состоит из различных продуктов разрушения органических остатков отмирающих организмов, отделимых от минеральной части почвы; выделяемых растениями органических соединений, растворимых в воде и гумусовых (перегнойных) веществ, вступивших в физико-химическое и биохимическое взаимодействие с минеральной частью почвы. В элементарном составе органических остатков главную роль играют: углерод, кислород, водород и азот. Из этих элементов построены тела растений и животных. 1 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Важнейшими органическими соединениями, встречающимися в растениях и животных, являются углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры, воск, смолы, дубильные вещества. Содержание органического вещества в гумусовом горизонте целинных автоморфных почв различных природных зон варьирует от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных почвах до 13-15% в черноземах лесостепной зоны. В пахотном слое почв, используемых в земледелии, содержание ОВ изменяется в пределах 2-5%. Исследованиями Л.Е. Родина, Н.И. Базилевич и М.М. Кононовой установлено, что ежегодно в различных растительных ассоциациях в почву поступает от 1,2 до 21 т/га растительных остатков, способствуя образованию гумуса (таблица 1). 2 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Биомасса. Показатели Биомасса по основным типам растительности, т/га Ельники Дубрав Степи Полу- Леса таёжные ы сухие пустын субтропическ и ие Общая биомасса, в т. ч. корни 100-330 400 10,0 4,3 410 22-73 96 8,5 3,8 82 21 Ежегодный опад 3,5-5,5 6,2 4,2 1,2 Образование гумуса 1,0-1,6 1,9 1,3 0,4 6,3 3 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Опад.. Годовой лесной опад (сухое вещество) в различных регионах ЕТР Географический район Тип леса Характеристика древостоя Величина опада, т/га Архангельская обл. (И.С. Мелихов) Сосняк-брусничник 8С2Е+Б, полнота 0,8 1,8 То же Ельник-кисличник 4Е5Б1С, 2-й ярус 10Е, полнота 0,9 3,4 Брянская обл., (М.И. Сахаров) Сосняк- брусничник Возраст 120 лет 3,2 То же Ельник-черничнокисличный Возраст 70 лет 4,9 То же Дубняк липняковый Возраст 110 лет 6,0 Среднее Поволжье, (Е.И. Патрикеев) Сосняк-брусничник Возраст 110 лет 3,4-5,3 Петровская лесная дача – РГАУ-ТСХА, (Н.С. Нестеров) Сосняк Спелый и средневозрастный 4,1 То же Ельник Средневозрастный 4,0 Воронежская об., (Е. Попова) Дубрава Возраст 27 лет, полнота 0,6 5,4-5,7 4 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Влияние среды на синтез перегноя. • В различных природных условиях характер разложения и синтеза почвенного перегноя неодинаковы и зависят от водно-воздушного и теплового режимов почв, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов, типа и вида растительных остатков, гранулометрического состава и физико-химических свойств почв. • Водно-воздушный режим обеспечивает процессы разложения и синтеза почвенного перегноя либо в аэробных условиях (в кислородной среде), либо в анаэробных (в среде при отсутствии кислорода). • В кислородной среде оптимальными условиями являются: влажность - 60-80% полной влагоёмкости, температура – 25-30оС. В верхнем почвенном горизонте накапливаются элементы зольного и азотного питания растений. Отклонения в ту или другую стороны создают дисбаланс в биологическом круговороте и меняют условия формирования перегноя 5 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Влияние среды на синтез перегноя. • В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, отсутствии свободного кислорода) и пониженных температурах процессы образования перегноя замедляются. В итоге органические остатки превращаются в торф – массу малоразложившихся остатков, частично сохраняющих анатомическую структуру. • Физико-химические свойства почвы определяют реакцию среды и сорбционные (поглотительные) свойства. • Оптимум для образования перегноя являются нейтральная или близкая к ней реакция среды, которая связана с повышенной концентрацией катионов кальция и магния. Такая реакция обеспечивает умеренную биологическую активность, оптимальна для процессов конденсации, образования устойчивых органоминеральных соединений. 6 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль микроорганизмов в синтезе перегноя. • Видовой состав и интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов определяет накопление перегноя в почвах. • При этом наибольшее количество перегноя формируется при среднем содержании в почве микроорганизмов (показателе биогенности – количество микроорганизмов, приходящееся на 1 г гумуса). • Интенсивность деятельности микроорганизмов коррелирует с почвенно-климатическими зонами (в гумидном климате наименьшее количество микроорганизмов, в тропическом – наибольшее, а оптимальные условия их жизнедеятельности – в умеренном климате), поэтому наилучшие условия накопления гумуса - в чернозёмах. 7 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль микроорганизмов в синтезе перегноя. • Из микроорганизмов значительную роль играют бактерии гетеротрофного типа питания. Среди них бактерии, разлагающие белки, целлюлозу, вызывающие процессы брожения, явления денитрификации. • Водоросли – питаются как растения, или готовым органическим веществом, находящимся в почве, вызывают многочисленные превращения органического вещества, способствуя разложению и синтезу перегноя. • Грибы – развиваются в почвах с кислой реакцией, разлагают клетчатку и другие безазотистые соединения, способны разлагать белок с выделением аммиака. Широкое распространение в почве имеют плесневые грибы: Penicilium, Aspirgilus, Trichoderma, Rhizopus. • Актиномицеты, или лучистые грибы, играют заметную роль в разложении органических соединений. 8 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль микроорганизмов в синтезе перегноя. • Определенная роль принадлежит животным, в первую очередь простейшим: амебам, жгутиковым, инфузориям. Оптимальная реакция среды для них – нейтральная. Наибольшая их численность отмечается весной в слое почвы от 0 до 15 см. • Таким образом, микроорганизмы играют важную роль в круговороте углерода, азота и зольных элементов пищи растений, а тем самым вносят свой вклад в формирование почвенного перегноя как важнейшего элемента почвенного плодородия. 9 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль растительных остатков в синтезе перегноя. Типы и виды растительных остатков играют количественную и качественную роль в накоплении перегноя. Вклад различных биоценозов в образовании перегноя неодинаков. В экосистемах тундры и пустыни количество ежегодного опада не превышает 1 т/га сухого вещества. В экосистемах лесостепной зоны – его объём увеличивается до 1015 т/га, а в тропических лесах – до 25 и более т/га. В агроценозах учитываются послеуборочные остатки: после пропашных культур – 1-2, зерновых – 2-3, многолетних трав 5-8 т/га. Больше остатков – больше перегноя. 10 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Влияние среды на синтез перегноя. Влияние на образование перегноя оказывает содержание в растительных остатках оснований, азота (измеряется отношением С:N) и легкоразлагаемых органических веществ (белков и других азотсодержащих компонентов). Повышенное содержание лигнина и целлюлозы уменьшает интенсивность синтеза перегноя. 11 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль гранулометрического состава в синтезе перегноя. • Гранулометрический состав, оказывая влияние на гидротермические и окислительновосстановительные условия, определяет общую и удельную поверхность почвенных агрегатов и обусловливает прочность связей гумусовых кислот с минеральной частью почвы. • В песчаных и супесчаных почвах – хорошие аэрация и прогрев ускоряют разложение органических остатков и не способствуют закреплению перегноя на поверхности песчаных частиц. • В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при прочих равных условиях замедляется, перегноя образуется больше, он хорошо закрепляется на поверхности высокодисперсных минеральных частиц. 12 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Роль минералогического и химического состава в синтезе перегноя. Минералогический состав определяет физико-химические и сорбционные свойства почв. Основными минералами, способствующими накоплению перегноя, являются вторичные тонкодисперсные минералы с высокой ёмкостью поглощения (монтмориллонит, вермикулит, хлорит). Химический состав, наряду с минералогическим, также определяет физико-химические свойства почв. Карбонаты кальция и магния, содержание кальция и магния в составе первичных и вторичных минералов способствуют накоплению перегноя, связывая гуминовые кислоты в труднорастворимые и недоступные микроорганизмам формы. 13 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Превращения азота. •Азот – важнейший питательный элемент для растений, его содержание в почве - необходимое условие развития плодородия почв. •Содержание азота в почвенном перегное является устойчивой величиной, равной в зависимости от типа почвы 5-8%, но в большинстве почв 5-6% от веса гумуса. •Первый и основной источник поступления азота в почву – органические, главным образом растительные, остатки. Так, лесной опад содержит в среднем 1% азота, следовательно, при ежегодном количестве опада в 3-6 т/га вместе с ним в почву поступает 30-60 кг азота. •Второй источник связанного азота – атмосферные осадки. Они содержат аммиак и азотную кислоту (грозовые разряды, фотохимические процессы). Ежегодно – 6-15 кг в основном аммиака. 14 • • • • Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Превращения азота. Связывание азота клевером может достигать 150 кг/га (Д.Н. Прянишников), люпином – 160-170, люцерной – до 300 кг/га и более в год. Третий источник соединений азота – микроорганизмы, конкретно, бактерии – азотфиксаторы, усваивающие свободный атмосферный азот, превращающие его в азот белковых соединений и после отмирания бактерий почва обогащается органическими соединениями азота. Свободно живущие микроорганизмы способны связывать до 10-15 кг/га азота. Наиболее распространенными свободно живущими бактериями-азотфиксаторами являются аэробная бактерия Azotobacter и анаэробная – Clostridium. 15 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Превращения азота. • К несвободно живущим относится клубеньковая бактерия Bacillus, живущая на корнях растений из семейства бобовых. Подобные бактерии встречаются на корнях древесных растений: ольхи, лоха. • Органические соединения азота (белки) разлагаются (гидролиз) в почве, образуя аминокислоты, усваиваемые микроорганизмами и снова синтезирующими белки. • Другая часть подвергается процессу аммонификации – азот преобразуется в аммиак, который соединяясь с угле- и органическими кислотами образует соли аммония. Ион аммония, усваиваясь микроорганизмами и растениями, расходуется на образование белков. Кроме того аммиак может подвергаться окислению. Это процесс – нитрификации. 16 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Превращения азота. • Нитрификация – процесс окисления аммиака, проходит при участии автотрофных бактерийнитрификаторов (Nitrosomonas и Nitrobacter), способных синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Источником углерода для них, как и для зелёных растений, служит углекислый газ. Для расщепления молекулы воды они используют энергию, выделяемую при окислении аммиака (см. формулы). Этот процесс, открытый русским учёным проф. С. В. Виноградским, включает 2 стадии: сначала образуется ион азотистой кислоты NO-2 , затем – азотной (NO-3). • Процесс восстановления NO-3 в почве (с участием микроорганизмов), сопровождаемый выделением свободного газообразного азота, называется денитрификацией. 17 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Превращения азота. При образовании в почве аммиака и нитратов важную роль играет соотношение между углеродом и азотом. С:N < 20 – активна минерализация и образование NO-3; С:N > 30 – иммобилизация (неподвижность) азота. Это значит – органическое вещество почвы ещё не гумифицировано; С:N = 10 – сильно гумифицированое вещество. Процесс аммонификации проходит активно как раз в лесных почвах, но азотное питание в различных почвах и соответственно разных типах леса складывается неодинаково. Исследования акад. И.В. Тюрина показали, что для сложных типов ельников – преимущественно нитратная форма азотного питания; травяных – смешанное нитратно-аммиачное; зелёномошниковых – преимущественно аммиачное, долгомошниковых и сфагновых – аммиачное. Это питание осуществляется с помощью микоризы корней древесных растений. 18 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Гумусообразование. • Гумусообразование - процесс разложения растительных остатков на месте их отмирания и последующего новообразования гумуса. • Морфологически выражается в образовании поверхностного [темного] гумусового горизонта комковатой или зернистой структуры, содержащего значительное количество живых и мертвых корней. • Гумусонакопление - процесс аккумуляции гумуса в профиле почв в результате разложения растительных остатков и гумусообразования. 19 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Гумусообразование. • Гумификация - совокупность биохимических и физико-химических процессов, в результате которых происходит превращение ОВ индивидуальной природы в специфические гумусовые вещества. • Коэффициент гумификации - доля (%) углерода органических остатков, включающегося в состав гумусовых веществ при полном их разложении. Минерализация - процесс распада ОВ до углекислоты, воды и простых солей. Учитывается коэффициентом минерализации. 20 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Общая схема гумусообразования в почве. Растительные остатки Лигнин, Липиды Углеводы дубильные Белки вещества Разложение (гидролиз, окислительно-восстановительные реакции) Промежуточные продукты разложения Минеральная часть почвы Микробный синтез, белки, липиды, углеводы Гумификация: гумусовые кислоты Взаимодействие Продукты полной минерализации органо-минеральных соединений Закрепление в почве Удаление в атмосферу и вымывание Поступление в биологический круговорот Вымывание 21 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Процессы гумусообразования. Дерновый процесс интенсивное гумусообразование и гумусонакопление под воздействием травянистой растительности, в составе которой существенную роль играют дернинные злаки. Более половины объема горизонта - корни. Торфообразование (оторфовывание, торфонакопление) - процесс консервации отмерших органических остатков при незначительной гумификации. Торфяный горизонт имеет h=10-50 см, содержит >70% ОВ по объему и >35% от массы, степень разложения <35%. 22 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Понятие о гумусе. • Гумусом, или гумусовыми веществами, называются специфические органические соединения (гумусовые кислоты, гумин), образующиеся в результате множественных химических превращений и способные к полимеризации (уплотнению молекул). • Характерная черта гумуса – устойчивость против микроорганизмов и как следствие накопление и длительное сохранение в почве. 23 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Состав и строение почвенного гумуса. • Гумусовые вещества (ГВ) составляют 80-90% общего количества органического вещества в почве. • Г. В. – это высокомолекулярные соединения циклического строения, содержащие азот. • Г. В. включают 3 группы соединений: • гуминовые кислоты (ГК), • Фульвокислоты (ФК), • гумусовые угли – гумин, ульмин (ГУ). 24 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Состав и строение почвенного гумуса. • • • • • • Гуминовые кислоты состоят из: углерода – 52-58%; водорода - 3,3-4,8%; азота – 3,6-4,1%; кислорода 34-39%. Фульвокислоты: углерода – 45,3%; водорода – 5,0%; азота – 2,4%; кислорода - 47,3%. • Отличие ФК от ГК – менее конденсированы, более просты по своему строению. В гумусовоиллювиальных горизонтах ряда подзолистых почв ФК закреплены в форме соединений с железом и особенно алюминием. 25 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Состав и строение почвенного гумуса. • Гумин и ульмин (гумусовые угли) – инертная (труднорастворимая) часть почвенного гумуса. • По данным акад. И.В. Тюрина, гумин представляет собой сложный комплекс, в состав которого входят гуминовые и фульвокислоты, соединённые по типу сложных эфиров. • Инертность ГУ объясняется их прочной связью с минеральной частью почвы, особенно с частицами глинистых минералов. • Кроме того, в состав почвенного гумуса могут входить битумы, растворимые в органических растворителях (спирт, бензол и др.). Их химический состав – совокупность жиров, высокомолекулярных жирных кислот, восков и смол. Их содержание в автоморфных почвах – 2-4% от общего содержания гумуса, в заболоченных повышается до 10-20%. 26 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Состав и строение почвенного гумуса. • Состав гумуса в разных типах почв – неодинаков. • Показателем их различия принято считать соотношение между гуминовыми кислотами и фульвокислотами. Исследованиями (М.М. Кононова и др.) установлено, что в лесной сильноподзолистой почве в гор. А2 это соотношение равно 0,56%; в гор. А1 дерново-подзолистой почвы под лесом – 0,79%; в тёмно-серой лесной – 1,11; в целинном обыкновенном чернозёме – 1,6; в залежной тёмно-каштановой почве – 1,7; в светлом серозёме на пашне – 0,7; краснозёме под лесом 0,8 %. 27 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Состав и строение почвенного гумуса. Итак, образование гумуса представляет собой совокупность ряда биологических процессов, объединённых в 2 группы: распада исходных органических соединений; синтеза новых, высокомолекулярных гумусовых соединений. Эти процессы идут непрерывно, в тесном взаимодействии друг с другом и в тесной зависимости от окружающих условий. Условия разложения органического вещества определили типы гумуса: мор, модер, мюлль, анмоор, а также олиготрофный и аутрофный торф. 28 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Типы гумуса. Мор – грубый гумус, содержит много детрита, формируется при низкой биологической активности в условиях кислой и сильнокислой реакции среды (гумус подзолистых почв). Модер – формируется в условиях кислой реакции среды при средней биологической активности, слабо взаимодействует с минеральной частью почвы (гумус дерново-подзолистых почв). Мюлль–формируется при высокой биологической активности, в условиях нейтральной и щелочной реакции среды, активно взаимодействует с минеральной частью почвы (гумус чрнозёмов). Анмоор-условия временного избыточного увлажнения (гумус дерново-глеевых почв). При водозастойном типе водного режима формируется торф. Торф олиготрофный – «бедный гумус» верховых болот Торф эутрофный – «богатый гумус» низинных болот. 29 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество лесных почв. Лесная подстилка. • В лесном ценозе на поверхности почвы накапливается неразложившийся за год слой опада в виде листьев, хвои, ветвей. • Этот слой называется лесной подстилкой. • Она образуется под пологом сомкнутых древостоев. Толщина её варьирует от 0,5 до 10-15 см. В хвойных лесах подстилка мощнее, чем в лиственных. Также её мощность больше во влажных местах. • На поверхности почвы её запасы колеблются от 10 до 100 т/га – в зависимости от состава, возраста и полноты древостоев. Лесная подстилка легко отделяется от минеральной части почвы. 30 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество лесных почв. Лесная подстилка. • Лесная подстилка имеет 3 слоя, различающиеся по степени разложения опада. • Верхний слой А1о – опад, состоящий из свежеопавших бурых листьев или хвои, веточек. Степень разложения до 25%. Это тип гумуса – мор. • Средний слой А11о – слой медленного разложения и ферментации вещества, состоит из буровато-серых, в значительной степени сохранивших скелет и измельчённых остатков, появляются грибы. Степень разложения до 35%. Это тип гумуса – модер. • Нижний слой А111о – слой гумификации, чёрного и тёмно-бурого цвета, равномерно перемешанный, нередко оструктуренный, состоит из хорошо разложившегося однородного органического вещества, тесно связан с минеральной частью почвы. Степень разложения - 35-45%. Это тип гумуса – мюлль. 31 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество лесных почв. Лесная подстилка. Лесная подстилка выполняет ряд функций: защищает поверхность почвы, способствует поддержанию верхнего слоя почв в рыхлом состоянии, свободному проникновению влаги в глубь почв, препятствует её испарению, Играет роль «депо» (накопителя) запасов элементов питания, достаточных для жизни древостоев в течении нескольких лет, а также благоприятной средой для развития грибов и бактерий, минерализующих её. 32 Состав, свойства и режимы почв. Значение ОВ. ОВ почв, особенно перегной, играют важнейшую роль в почвообразовании, определении физических (влаго- и теплоёмкость, структурность и др.), физико-химических (обменную способность, буферность и др.) и биологических свойств (содержание гумуса, азота др.) почвы и её плодородия. Запасы гумуса, органического азота и фосфора в почвах заметно различаются. Наибольшие запасы гумуса аккумулируются в почвах чернозёмного ряда. 33 Состав, свойства и режимы почв. Органическое вещество. Запасы гумуса, азота, фосфора, т/га в 100 см. Почвы Гумус Азот Фосфор Подзолистые 99,0 6,6 0,56-0,68 Лесостепные подзолистые 215,0 12,0 1,32 Чернозёмы выщелоченные 549,0 26,5 - Чернозёмы мощные 709,0 25,8 0,63 Чернозёмы обыкновенные 426,0 24,0 - Тёмно-каштановые почвы 229,0 - 0,63 34 Состав, свойства и режимы почв. Способы регулирования состояния ОВ. • Характер и количество ОВ регулируется лесоводственными и агротехническими приёмами. лесоводственные приёмы: • замена чистых хвойных насаждений смешанными и сложными с участием лиственницы, берёзы, липы и других почвоулучшающих пород, особенно кустарников (лещины, рябины, бузины, жимолости обыкновенной и пр.); • изменение скорости разложения лесной подстилки, разбрасывание порубочных остатков (хвороста) на вырубках сухих и свежих боров др.; • введение для улучшения азотного режима целесообразно в состав насаждений пород, усваивающих атмосферный азот: акации, ольхи, ракитника на суглинистых почвах, люпина – на лёгких. 35 Состав, свойства и режимы почв. Способы регулирования состояния ОВ. • • • • • • • • • • Агротехнические приёмы: механическая обработка, внесение органических удобрений, травосеяние, сидерация, известкование кислых, гипсование щелочных почв. Мелиоративные мероприятия: гидротехнические, фитотехнические, биологические. 36 Контрольные вопросы. • 1. Понятие об органическом веществе (ОВ) почв: состав, содержание, биомасса, опад. • 2. Влияние среды на синтез перегноя (гумуса): микроорганизмы, растительные остатки, состав почв. • 3. Превращение азота. • 4. Гумусообразование. • 5. Понятие о гумусе: определение, состав и строение, типы. • 6. Лесная подстилка и её функции. • 7. Значение ОВ. • 8. Запасы гумуса, азота и фосфора в различных почвах. • 9. Способы регулирования состояния ОВ. 37