минеральные соединения в почвах

Тема: Органическое вещество и органо- минеральные соединения в
почвах (4 ч.)
Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы и продуктов
их метаболизма, органических остатков растений, животных и микроорганизмов,
гумуса – специфического вещества почв.
Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную полидисперсную
систему высокомолекулярных азотосодержащих ароматических соединений
кислотной природы. Содержание гумуса колеблется в почвах от 0,5 % в пустынных
почвах до 15 % в черноземах лесостепной зоны. Все генетические и
агрономические свойства и режимы почв связаны с содержанием и составом
органического вещества.
Источники гумуса
1. остатки растений
2. остатки животных и микроорганизмов
Растения в БГЦ имеют биомассу, превышающую биомассу животных и
микроорганизмов в десятки и сотни раз. Поэтому растительный опад и продукты
метаболизма высших растений дают основной материал, из которого образуется
гумус. Специфический химический состав животных и микроорганизмов, высокое
содержание в них белков определяют их роль в обогащении гумуса азотом.
Таблица 1
Ландшафты
Тундра
Таежнолесные
Степные
Источники гумуса в различных ландшафтах
Запасы
Биомасса
фитомассы
К/Н*
микроорганизмов
150-2500
г/м2
25000-40000
3-4
10-15 г/м2
Почвенные
животные,
беспозвоночные
1-3 г/м2
1/3 – 1/5
30, доминируют грибы
2-9 г/м2
60, грибы, спорообразую- 12-16г/м2,
щие бактерии, актино- доминируют
мицеты
дождевые черви
Пустынные
8-9
Биологически
активны
только в отдельные годы
*К/Н - отношение корневой массы к надземной
1200-2500
3-6
В составе гумуса выделяют 3 группы: гуминовые кислоты (ГК),
фульвокислоты (ФК), гумины.
Гуминовые кислоты (ГК) - группа темно-окрашенных от бурых до черных ГК,
которые хорошо растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных
растворов ГК осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух- и
трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро,
периферические боковые цепи и функциональные группы. Ядро молекулы
представлено ароматическим или гетероциклическими кольцами типа бензола,
пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой
углеродными – С-С- , кислородными -О-, азотными – N -, углеводородными -СН2 –
1
мостиками и образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат
функциональные группы, преимущественно
карбоксильные – СООН и
фенолгидроксильные (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных,
которые предопределяют кислотную
природу этих соединений. Н *
функциональных групп способен замещается на металлы. При этом образуются
соли ГК – гуматы.
Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость
поглощения катионов, которые составляют:
рН = 7 300-700 мг-экв/100 г ГК
рН < 7 < 300-700
рН > 7
800-1000 мг-экв/100 г ГК
Молекулярная масса ≈ 10000 – 100000 ед.
Таблица 2
Элементный состав ГК и ФК
Элемент
ГК
С
50-62
О
31-40
N
2- 5 мало доступен
Н
3-5
Зольные вещества
1-5
ФК
40-52 %
40-48
2-5 более доступен
3-5
-
Фульвокислоты (ФК) – группа светлоокрашенных (светло-желтая) гумусовых
кислот, сходных по составу и строению с ГК, но имеющих ряд существенных
отличий:
1 – более низкая молекулярная масса;
2 – ароматическая ядерная часть выражена меньше, а периферическая часть –
лучше;
3 - хорошо растворяются не только в щелочах, но и в кислотах и в воде. На
этом основано их отделение от ГК при анализе;
4 – в элементном составе С меньше, но больше О. Содержание N и Н такое же,
но азот лучше гидролизуется;
5 – в периферической части больше карбоксильных и фенолгидроксильных
функциональных групп и более высокая емкость катионного обмена (до 1000 и
больше мг-экв/ 100 г препарата);
6 – обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью
по отношению к минеральной части;
При взаимодействии ФК с катионами образуются соли – фульваты. Водные
растворы ФК обладают очень кислой реакцией (рН 2,6), что способствует
растворению и выносу веществ из поверхностных горизонтов.
Гумины не гидролизуются, не переходят в раствор. Это совокупность ГК и
ФК очень прочно связанных с минеральной частью почв.
2
Органо – минеральные соединения в почвах
Преобладающая часть гуминовых веществ в почвах находится в форме органоминеральных соединений. Они придают гуминовым веществам устойчивость к
разложению и минерализации и обеспечивают длительное существование в течение
сотен и тысяч лет.
По характеру взаимодействия выделяют 3 группы органо-минеральных
соединений:
I. Простые гетерополярные соли. К ним относятся гуматы и фульваты
аммония, щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования
заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп
гумусовых кислот и катионами почвенного раствора. Гуматы и фульваты
щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы Са – не
растворимы, а Mg - частично. При высыхании образуют водопрочные гели. Они
принимают участие в формировании водопрочной структуры почвы. Фульваты Са
и Mg растворимы в воде при всех значениях рН, кроме сильнощелочных (рН > 10).
Растворимость солей гуминовых кислот характеризует их подвижность в
почвенном профиле и участие в аккумулятивных процессах.
II.
Комплексно-гетерополярные соли. Образуются при взаимодействии
гуминовых кислот с поливалентными металлами (Fe, Al, Cu, Zn, Ni). Металл в
комплексно-гетерополярных солях входит в анионную часть молекул и не способен
к обменным реакциям. Поливалентные металлы
в составе
комплексов
присутствуют в форме ионов. Характерной особенностью этих соединений
являются остаточная емкость катионного обмена щелочных и щелочноземельных
металлов за счет оставшихся свободных карбоксильных и фенолгидроксильных
групп. Емкость связывания железа в комплексно – гетерополярные соли в моделях
опыта достигала 150 мг/г для ГК и 250 мг/г для ФК. Для алюминия в 2-3 раза ниже.
Миграционная способность Fe- и алюмо-гумусовых солей зависит от состава
обменных катионов, замещающих Н свободных функциональных групп, степени
гидратации, степени насыщенности металлом и природы гумусовых веществ. Более
подвижными являются комплексно-гетерополярные соли ФК и неспецифических
кислот (щавелевой, уксусной, муравьиной и т.д.).
III.
Адсорбционные органо-минеральные соединения. Образуются путем
сорбции на поверхности твердых частиц почвы. К ним относятся Al – и Feгумусовые сорбционные комплексы, глино- и кремнегумусовые комплексы. Al – и
Fe-гумусовые комплексы образуются путем сорбции гумусовых кислот гелями
оксидов железа и алюминия. При этом образуются пленки на поверхности твердых
частиц и конкреции.
Глиногумусовые комплексы образуются в процессе склеивания поверхностей
гумусовых кислот и их органо-минеральных производных с поверхностями
глинистых минералов. Склеивание может происходить в результате ионного
обмена, хемосорбции и др. Эти процессы играют большую роль в формировании
гумусовых горизонтов, их структурного состояния и оказывают влияние
практически на все свойства и режимы почв.
3
Гумусообразование - это процесс формирования динамичной системы органоминеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим
условиям ее функционирования. Общая схема гумусообразования по
Л.Н.Александровой (1980):
Растительные
остатки
Разложение, гидролиз,
окислительно-восстановительные реакции
Микроорганизмы,
животные______
Минеральная часть
Белки, углеводы
Органо-минеральные
соединения_____
Микробный
синтез
Промежуточные продукты распада______
Гумификация
Минерализация
Гумусовые кислоты
Продукты полной
минерализации
Вымывание
и удаление в
атмосферу
Вынос
Закрепление в почве
Использование растениями
в биологическом круговороте
Гумусообразование включает следующие процессы формирования и эволюции
органопрофиля почв: 1) разложение свежих органических веществ, минерализация
и гумификация, образование гумусовых веществ; 2) минерализация гумусовых
веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы,
миграция и аккумуляция органо-минеральных соединений.
Морфология гумуса. Ф. Дюшофур (1970) выделяет главные типы гумуса на
основании морфологических различий, степени трансформации органических
веществ и их связи с минеральной частью почвы.
Мор – (грубый гумус) содержит много детрита (слаборазложившихся
растительных остатков), формируется при низкой биологической активности в
условиях сильнокислой и кислой реакции среды.
Модер – представляет собой среднеразложившиеся растительные остатки,
формируется в условиях кислой реакции среды при средней биологической
активности, имеет слабое сцепление с минеральной частью почв.
Мюлль - собственно гумус, состоящий из новообразованных в почве молекул
ГК и ФК. Они составляют 85-90 % органической части почвы. Формируется при
высокой биологической активности, в условиях слабокислой, нейтральной и
щелочной реакции среды, имеет сильную связь с минеральной частью почвы.
Анмоор – образуется в условиях временного избыточного увлажнения.
4
Факторы и условия гумусообразования
Ведущими факторами гумусообразования являются
количество, состав и характер поступления в почву источников
гумуса
гидротермический режим
окислительно-восстановительные условия
биологическая активность
гранулометрический состав
минералогический состав
химический состав
физико-химические свойства почв
Количество, состав и характер поступления в почву источников гумуса
Количество ежегодного опада в различных природных зонах колеблется от
нескольких центнеров/га в тундрах и пустынях до 10-15т/га в луговых степях
лесостепной зоны и до 25 и более т/га сухого вещества во влажных
тропических лесах. В агроценозах количество послеуборочных остатков
составляет 1-2 т/га под пропашными культурами, 2-3 т/га – под зерновыми, 5-8
т/га под многолетними травами. Чем больше поступает источников гумуса,
тем больше образуется гумуса в почвах, при прочих равных условиях.
Ведущими показателями состава источников гумуса, с точки зрения
влияния на гумусообразование, является содержание в них оснований, азота
(отношение С:N) и легкоразлагаемых веществ. Накоплению гумуса
способствуют повышенное содержание оснований и азота и легкоразлагаемых
веществ (белков и других азотсодержащих компонентов). Повышенное
содержание лигнина и целлюлозы снижает интенсивность гумификации.
Поступление источников гумуса непосредственно в почву, в отличие от
поверхностного, у4лучшает условия взаимодействия продуктов гумификации
с твердой фазой почв и снижает интенсивность их минерализации.
Гидротермические условия определяют интенсивность и направленность
биологических и биохимических процессов и скорость химических
взаимодействий. Гумификацию сдерживают избыток влаги и ее недостаток.
Избыточная влажность обуславливает консервацию органических веществ на
различных стадиях разложения в виде перегнойных или торфяных горизонтов.
Оптимальными являются контрастные условия, когда влажные периоды
чередуются с сухими. Во влажные периоды усиливаются процессы разложения
и гумификации, а в сухие – происходит закрепление продуктов гумификации
твердой фазой почвы. Понижение температуры ограничивают интенсивность
гумификации, повышение – усиливают минерализацию.
Оптимальными
являются умеренные температуры.
Окислительно-восстановительные условия. В условиях хорошей аэрации
(окислительных) разложение органических остатков ускоряется, однако, в
5
засушливых условиях активизируется и минерализация. В анаэробных
(восстановительных) условиях эти процессы замедляются. Умеренная
пульсация ОВ-режима способствует гумификации и закреплению гумуса.
Биологическая активность. Северные подзолистые почвы характеризуются
наименьшим содержанием микроорганизмов с низкой жизнедеятельностью. К
югу численность микроорганизмов увеличивается, их видовой состав
становится более разнообразным, жизнедеятельность резко возрастает.
Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с количеством
микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как слабая, так и высокая
биогенность почвы не способствуют накоплению гумуса. Наибольшая его
аккумуляция характерна для почв со средней численностью микроорганизмов.
Гранулометрический и минералогический состав. В песчаных и
супесчаных почвах с преобладанием первичных минералов создается хорошая
аэрация, они быстро прогреваются. В этих почвах разложение органических
остатков ускоряется, значительная их часть минерализуется полностью, а
образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности
песчаных частиц и быстро минерализуются.
В глинистых и суглинистых почвах, в минералогическом составе которых
преобладают вторичные минералы, процесс разложения органических
остатков при прочих равных условиях замедляется, гумусовых веществ
образуется больше, они хорошо закрепляются на поверхности
высокодисперсных минеральных частиц и постепенно накапливаются в почве.
Химический состав, наряду с минералогическим, обуславливает физикохимические свойства почв. Наличие карбонатов Ca и Mg, а также повышенное
содержание этих элементов в составе минералов, способствует накоплению
гумуса. Ca и Mg связывают гуминовые кислоты в труднорастворимые и
недоступные микроорганизмам формы.
Физико-химические свойства определяют реакцию среды и сорбционные
свойства. Оптимальными для гумификации являются нейтральная и близкая к
нейтральной реакция среды, обусловленная повышенной концентрацией
катионов Са2+ и Mg2+ . Такая реакция оптимальна для процессов конденсации
и образования устойчивых органо-минеральных соединений.
Географические закономерности распределения гумусовых веществ в
почвах
Степень и характер формирования и накопления гумуса в почвах зависит в
основном
от радиационного баланса и режима влажности. Мощность
гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса закономерно изменяются в
почвах зонального ряда. Наибольшее значение перечисленных показателей
характерно для черноземов типичных лесостепной зоны. Мощность гумусового
горизонта в них может достигать 1.5 м, содержание гумуса до 15% (табл.3). К
северу и югу от зоны распространения черноземов типичных мощность
гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса постепенно снижаются до
6
минимальных значений. Параллельно общему содержанию гумуса изменяется
относительное содержание гуминовых кислот. Больше всего их в черноземах. К
северу и к 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, которые также наибольшие в
черноземах (около 2 и более), постепенно снижается к подзолистым, бурым
пустынно-степным почвам. По этому отношению выделяются следующие типы
гумуса: гуматный > 2, фульватно-гуматный 1-2, гуматно-фульватный – 0.5-1,
фульватный - <0.5.
В составе гуминовых кислот доля свободных и связанных с подвижными
формами полуторных оксидов от подзолистых почв к почвам аридных регионов
снижается от 90-100% до 10% и менее, а с кальцием, наоборот, возрастает в том
же диапазоне. В почвах влажных и переменно-влажных тропических и
субтропических областей содержание гумуса повышается на 3-4% с
преобладанием в его составе, как правило, фульвокислот.
Таблица 3
Географические закономерности распределения гумуса в почвах
Почвы
Подзолис-тые
Серые лесные
Черноземы
Каштановые
Бурые сухостепные
Серозмы
светлые
Красноземы
Гумус,%
2,5–4,0
4,0– 6,0
7,0 – 10,0
1,5 – 4,0
1,0 – 1,2
ГК, % от
гумуса
12-30
25 - 30
35 - 40
25 - 35
15-18
0,8- 1,0
17-23
4,0-6,0
15-20
ФК, % от
гумуса
25-30
25 - 27
15 - 20
20- 25
20 - 23
25-33
22-28
Сгк
Сфк
0,6–0,8
1
1,5- 2,5
1,2 – 1,5
0,7
Морфология гумуса
Mor
Moder, Mull
Mull
Mull
Mull, Moder
0,7
Mull, Moder
0,6-0,8
Mor, Moder
Mull
Роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании
растений. Роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и
питании растений очень многообразна. Значительная часть элементарных
почвенных процессов (ЭПП) происходит с участием гумусовых веществ. К ним
относятся биогенно-аккумулятивные, элювиальные, элювиально-аккумулятивные,
метаморфические и другие. Процессы взаимодействия органических веществ с
минеральной частью почв лежат в основе почвообразования.
Содержание, запасы и состав гумуса входят в состав главных показателей
почвенного плодородия. Они оказывают также влияние на все режимы и свойства
почв.
7
Органическое вещество является источником азота и зольных элементов
питания растений. В нем содержится 98% валового азота, с ним связано 40-60%
фосфора, 80-90% серы, значительные количества кальция, магния, калия и других
макро- и микроэлементов. Часть этих элементов находится в поглощенном
состоянии и усваивается растениями в результате ионообменных реакций. Другая
часть высвобождается и становится доступной растения после минерализации
органических веществ. Установлено, что около 50% потребности в азоте
культурные растения получают за счет почвенного органического вещества,
прежде всего легкоразлагаемого, остальные 50% за счет минеральных удобрений.
Органическое вещество оптимизирует физико-химические свойства почв.
Поглотительная способность органических коллоидов значительно выше, чем
минеральных, и достигает 1000 и более мг-экв./100 г препарата гумусовых веществ.
Более гумусированные почвы обладают более высокой буферностью по
отношению к кислотно-основным воздействиям, окислению-восстановлению и
действию токсикантов. Поглощенные органическими и органо-минеральными
коллоидами катионы являются доступными для растений и активно участвуют в их
питании.
Органическое вещество оказывает существенное влияние на структурное
состояние, физические, водно-физические и физико-механические свойства почв. С
увеличением гумусированности снижается плотность, увеличивается общая
порозность, улучшается структура почвы, повышается водопрочность структурных
агрегатов; увеличивается
влагоемкость и водоудерживающая способность,
водопроницаемость, диапазон активной влаги, гигроскопическая влажность;
становятся оптимальными физико-механические свойства почвы: липкость,
пластичность, твердость, удельное сопротивление. Гумус придает почве темную
окраску, что способствует поглощению тепла.
Органическое вещество играет ведущую роль в биологическом режиме почв.
Источники гумуса поддерживают в почвах определенный уровень биологической
активности; собственно гумусовые вещества способствуют сохранению
микроорганизмов в почвах и создают комфортные условия
для их
функционирования. Повышенная биологическая активность почв способствует
снижению
численности
патогенных
микроорганизмов,
ускоряет
микробиологическую деградацию пестицидов.
В составе органических веществ содержатся физиологически активные
вещества, ускоряющие рост и развитие растений.
8
9