Почвенные ресурсы

; сода Na

CO

х nН

O; гипс CaSO

2Н

O; мирабилит Na

SO

• nН

O; галит NaCl; фосфаты; нитраты и др. Эти минералы способны накапливаться в почвах в больших количествах в условиях сухого климата. Качественный и количественный состав их определяет степень и характер засоления почв.

Глава 3

Органическое вещество почв

Органическое вещество почв представлено органическими остатками живых организмов, продуктами их метаболизма, а также специфическими органическими соединениями, носящими название почвенного гумуса. По современным представлениям все органические вещества, находящиеся в почвенной массе генетических горизонтов, делятся на две группы.

Неспецифические органические вещества – вещества непочвенного происхождения, которые имеют фито-, зоо-, микробо-ценотическую природу и поступают в процесс почвообразования как отмирающая биомасса (органические остатки) и как продукты жизнедеятельности живых организмов. Почвенный гумус, или специфические органические вещества почвенно-генетической природы, присущ только почвам. В вещественном составе почв органическим соединениям принадлежит особая роль, поскольку гумусообразование и гумусонакопление связаны только с почвообразовательным процессом и не наследуются, как правило, от материнской почвообразующей породы, хотя, безусловно, она влияет на состав и свойства гумуса.

3.1. Неспецифические органические соединения почв

Из массы органических веществ биологического происхождения в почвоведении широко представлены углеводы (целлюлоза, моносахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски, смолы и др. Особую роль играют ферменты и фенолы.

Углеводные компоненты, поступающие в почву с растительными и животными остатками, довольно быстро подвергаются различным превращениям: ферментативному гидролизу, окислению, конденсации.

Специфические функции углеводов в почве:

• формирование почвенной структуры за счет образования водопрочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемых высокой клеящей способностью микробных слизей, обусловленных различными углеводами;

• образование органо-минеральных золей с полуторными окислами и глинистыми частицами; ускорение выветривания минералов за счет образования хелатных соединений;

• участие в ионообменных процессах, т. е. значительное влияние на поглотительную способность почвы;

• влияние на питание растений как путем непосредственного поглощения (моносахариды), так и косвенным, через образование различных соединений (полисахариды);

• трансформация гумусовых веществ микроорганизмами ускоряется в присутствии углеводов как источника энергии и углерода.

Хотя вопросы о распространении углеводов в почвах, влиянии типа почвы на их содержание и распределение пока изучены недостаточно, можно сделать вывод о существенной роли углеводов в почвообразовании.

Гемицеллюлоза сопутствует целлюлозе и составляет 15–30 % от растительной массы.

Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бензольных колец с гидроксильными (ОН) и метоксильными (ОСН

) группами, которые входят затем как структурные компоненты гумусовых веществ. В растительных остатках содержание лигнина может достигать 35 %.

Белки и аминокислоты – главные химические компоненты не специфических органических веществ, содержащие азот и фосфор. Содержание белков в биомассах крайне неодинаково: древесина – <1 %; сено (трава) -5-10; грибы – 10–50; бактерии – 40–80 %.

Смолы имеют различное химическое строение. Чаще всего встречаются в хвойных деревьях.

Воски выполняют функции защитных веществ, содержатся в незначительных количествах в почвах.

Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5-20 %), мало в травах и микроорганизмах.

Смолы, воски и дубильные вещества плохо разлагаются в почве, а в некоторых случаях угнетают почвенную микрофлору.

Ферменты определяют ферментативную активность почвенной массы, имеют биологическое происхождение и являются обязательными катализаторами всех биохимических процессов, происходящих при почвообразовании. Очень много ферментов участвует в катализе процессов расщепления, превращения, минерализации органических веществ неспецифической природы и гумуса.

Фенолы представляют собой особый класс органических соединений. Фенольные соединения присутствуют во всех трех фазах почвы и участвуют в биологических, гидрологических, геологических, химических, биохимических и физикохимических процессах, происходящих в почве, подвергаясь многообразным метаморфозам биотического и абиотического синтеза и разложения. Вещества фенольной природы принимают участие в образовании органо-минеральных соединений. Почвенные фенолы существуют в нескольких формах: свободные, связанные и прочносвязанные с почвенной матрицей и не передвигающиеся в профиле почвы. Соотношение между ними определяется химической структурой фенолов и совокупностью почвенных условий.

Таким образом, все неспецифические органические вещества почв по их биохимической значимости в процессах почвообразования можно разделить на 5 групп.

1. Быстроразлагающиеся и поглощающиеся микроорганизмами – сахара и белки. Обеспечивают незамедлительное поступление в почвенный раствор соединений азота, фосфора и других биофильных элементов.

2. Разлагающиеся медленно, расщепляющиеся под действием ферментов и являющиеся основными источниками гумусообразования – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин.

3. Вещества-ингибиторы, подавляющие микробиологическую деятельность, трудноразлагаемые: дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации органического опада, образованию органогенных генетических горизонтов.

4. Ферменты различной биохимической направленности.

5. Фенольные соединения различного структурообразующего и функционального действия.

В связи с высокой динамичностью массы неспецифических органических соединений количество этих веществ в почвах варьирует в широких пределах. Считается, что около 10 % определяемого в лабораториях гумуса составляют органические вещества неспецифической природы, полностью утратившие морфологические структуры исходных организмов. Неспецифические органические вещества почвы представляют интерес как исходный материал для образования другой группы органических веществ, специфичных только для почвенных масс и носящих название гумусовые вещества почвы.

3.2. Гумус почв как комплекс специфических органических веществ

Гумус, или гумусовые вещества, – это особая группа химических соединений, свойственная почвенному покрову Земли, т. е. специфичная только для почвенных образований. Гумус образуется из веществ растительных, животных и микробных остатков во взаимодействии с комплексом компонентов окружающей среды.

Главные продукты гумификации, от которых непосредственно зависит формирование разных свойств почв и типов почвообразования, представлены гуминовыми и фульвокислотами.

К сожалению, несмотря на выдающиеся достижения химии, сейчас нельзя вывести определенную химическую формулу гуминовой кислоты или фульвокислоты, так как это группы химических соединений переменного состава. Однако они состоят из следующих одинаковых структурных элементов, количество которых в молекулах варьирует.

1. Ароматическое ядро у гуминовых кислот или ароматические участки у фульвокислот.

2. Азот- и фосфорсодержащие компоненты. При разложении гумусовых кислот обнаружено большое разнообразие составляющих их аминокислот, в том числе и ароматических. Установлено, что все потенциальные запасы азота сосредоточены в органическом веществе. В нем же содержится и 50 % запасов фосфора.

3. Различные функциональные группы соединений: карбоксильные, фенольные, спиртовые, метоксильные и др. Водород функциональных групп способен к реакциям замещения. Именно благодаря функциональным группам гумусовые кислоты могут обменно поглощать из окружающей среды катионы и образовывать коллоидные комплексы.

4. Углеводородные цепи.

Установлена биохимическая сущность гумификации как специфического почвенного процесса превращения целлюлозы, белков, лигнина и других химических соединений растительных остатков в различные компоненты почвенного гумуса. Гумификацию можно рассматривать как процесс превращения органических остатков, протекающий под влиянием как биохимических, так и чисто химических агентов и ведущий к формированию наиболее стабильной в конкретных экологических условиях системы специфических (собственно гумусовых) и неспецифических органических соединений.

Существуют разные подходы к трактовке и созданию научных теорий происхождения гумуса.