Роль органического вещества в почвообразовании и плодородии почв

     Органические  удобрения. Существенный источник органических веществ в пахотных почвах. Особенно большое значение имеет для всех почв Нечерноземной зоны. Количество удобрений, вносимых в почву в этой зоне, различно и определяется как степенью окультуренности почвы, так и уровнем интенсификации земледелия в хозяйстве. Оно колеблется в среднем от 2-5 до 10-12 т/га ежегодно.  

     Основными видами органических удобрений, поступающих  в почвы, служат стойловый навоз  на торфяной подстилке, компосты на торфяной основе, торф, птичий помет, зеленые удобрения (донник, люпин, чина, сераделла и др.), различные отходы сельского хозяйства.  

     3. Процессы трансформации  органического вещества  в почве

     3.1. Общая схема процессов трансформации.

     Поступающие в почву растительные остатки подвергаются разнообразным процессам превращения, в результате которых значительная часть органического материала разрушается с образованием простых минеральных соединений, другая часть (10-30%), изменяясь, переходит в более устойчивую форму органического вещества почвы, получившего название гумуса.

Разложение

Минерализация  Гумификация 

     Конечный  результат минерализации – постепенное  исчезновение органических компонентов  и образование минеральных соединений, используемых в биологическом круговороте; итог гумификации – консервация органического вещества в форме новых устойчивых к разложению продуктов – гумусовых кислот, являющихся, таким образом, аккумуляторами огромных запасов элементов питания и энергии.

      Характер  трансформации органических остатков универсален в пределах биосфер и осуществляется не только в почвах, но и в любых других скоплениях мертвого органического вещества, доступного для микроорганизмов. Интенсивность этих двух процессов, соотношение между ними, процессы взаимодействия продуктов трансформации с компонентами окружающей среды, и с минеральной частью почвы очень разнообразны и обусловлены всем комплексом условий, в которых развивается этот процесс.  

3.2. Процессы разложения-минерализации  органических остатков в почве

     Разложение (распад) поступающих в почву  свежих органических веществ осуществляется микрофлорой и микрофауной при  участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В  результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты.

     Продукты  разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов, воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, степень увлажнения и аэробиозиса, а также от гранулометрического и химического состава почвы, в которой развивается этот процесс.

     Наряду  с микроорганизмами, обуславливающими процесс разложения органических остатков, огромна роль почвенной фауны, которая обуславливает как измельчение и механическое перемешивание органических остатков с массой почвы, так и их химическую трансформацию. Представители макро- , мезо-, микрофауны не только перераспределяют и измельчают все органические остатки, но и сами участвуют в процессах разложения.

     На  поверхности  почвы скорость минерализации  нарастает с севера на юг от подзолистых  почв к каштановым, а на глубине  более 20 см закономерность обратная, что связано с особенностями гидротермических условий зонального ряда (Н. Ф. Ганжара, 2001). 

     3.3. Процессы гумификации органических остатков

     Гумификацией  следует называть процесс образования  особого класса органических веществ – гумусовых кислот, которые накапливаются при трансформации мертвых растительных, микробных и животных остатков в биосфере, в почве, торфе, сапропеле и других органогенных телах природы. Существует ряд концепций гумификации, которые  дополняют одна другую. Все они в той или иной мере подтверждены экспериментально.

     Концепция биохимического окисления. Предложена И.В. Тюриным. Ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение – белков, лигнина, дубильных веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация образованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы.

     Концепция биохимической конденсации  и полимеризации. Основоположником этой концепции был А.Г.Трусов. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хинонов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохимический, с участием ферментов грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации – как чисто химический, который происходит на заключительном этапе гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с минеральной частью почвы.

     Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества – это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые была предложена П.А. Костычевым. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых анаэробных и аэробных бацилл образуются темнее пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв.

     4. Условия накопления органического вещества в почве

     Накопление  органического вещества в почвах зависит прежде всего от соотношения между величиной ежегодного прихода органического материала и величиной расхода или убыли его вследствие процессов минерализации; в некоторых случаях убыль может происходить также за счет вымывания растворимых соединений за пределы почвы.

      При равенстве величин годового прихода и расхода накопление органического вещества будет отсутствовать; оно возможно только в том случае, если приход превышает убыль от разложения. Накапливающееся  органическое вещество отличается значительной устойчивостью к разложению, однако оно также подвергается минерализации (и вымыванию). Поэтому по мере накопления его в почве общая величина ежегодного расхода органического вещества должна постепенно увеличиваться и через некоторый период сравняется с величиной ежегодного прихода свежего материала, после этого дальнейшее накопление становится уже невозможным.

     Таким образом, размеры накопления гумуса определяются величиной ежегодного прихода органических остатков, коэффициентом  разложения этих остатков и коэффициентом  разложения самого гумуса. 

     Разложение  связано с  деятельностью микроорганизмов  и зависит от целого ряда факторов: состав поступающих в почву растительных остатков, климатические и почвенные  условия. Эти факторы оказывают  также влияние на одновременно идущие процессы микробного и физико-химического синтеза, результаты которых отражаются на составе и свойствах образующегося гумуса.

     Значение  химического состава  растительных остатков

     Быстрее всего разлагаются водорастворимые  соединения, представленные сахарами, органическими кислотами и т.п. Поэтому скорость разложения в первый период напрямую зависит от содержания в них водорастворимых соединений.

     Группа  соединений, к которым относятся  целлюлоза и гемицеллюлоза, составляющие главную массу растительных остатков, разлагается несколько медленнее. Еще медленнее в большинстве случаев разлагается лигнин, наличие его значительных количеств замедляет разложение целлюлозы. Так же замедляющее влияние на разложение органических остатков и на разложение гемицеллюлозы и целлюлозы оказывает большое содержание смол и дубильных веществ.

     Органические  азотистые соединения легко подвергаются разложению. При разложении растительных остатков, бедных азотом, развитие микроорганизмов  лимитируется содержанием азота, поэтому, чем выше содержание азотистых соединении, тем энергичнее идут процессы разложения.

     В связи с влиянием почвенных условий  имеет значение также и характер поступления растительных остатков в почву – в виде поверхностного опада, или непосредственно в  минеральные горизонты за счет отмирающей корневой системы, так как условия разложения наземного опада и корневых систем очень различны в отношении увлажнения, аэрации и влияния минеральной части почв.

     Влияние аэрации и условий увлажнения

     Аэробное  разложение органических остатков в  почве происходит при условии свободного доступа воздуха под влиянием аэробных бактерий, грибов, а также окислительных энзим и отчасти минеральных катализаторов. Оно характеризуется интенсивно идущими процессами биохимического окисления, конечным результатом которого является минерализация органических веществ. Промежуточные продукты гидролитического распада и неполного окисления имеют временный характер, их накопления не происходит. Образующиеся гуминовые вещества неустойчивы. Таким образом, резко выраженный аэробный тип разложения, может привести к почти полной минерализации органического вещества в почве.

     Анаэробное  разложение происходит при отсутствии доступа кислорода, может иметь  место в нижних горизонтах болотных почв, пересыщенных неподвижной влагой (а также на дне прудов и озер). Оно совершается под влиянием анаэробных бактерий, вызывающих различные виды брожения. Промежуточные продукты распада и неполного окисления (в виде органических кислот и других соединений) образуются в значительных количествах и угнетают процессы разложения, которые идут медленнее, чем при аэробных условиях, и приводит к значительному накоплению органического вещества (в виде торфа и сапропелей). Анаэробным процессам в большей мере подвергаются органические соединения со значительным содержанием кислорода в молекуле, например углеводы, пектиновые вещества, протеины, тогда как менее окисленные  - лигнин, жиры, смолы – более устойчивы и накапливаются, подвергаясь лишь медленным изменениям (битумизации). Резко выраженные анаэробные условия неблагоприятны для процессов гумификации.

     Наряду  с типичными формами аэробного  и анаэробного разложения в природе  гораздо большее распространение  имеют промежуточные формы неполного  аэробиозиса или неполного анаэробиозиса, при которых аэробные процессы одновременно или периодически сопровождаются анаэробными и наоборот.

     При влажности, соответствующей воздушно-сухому состоянию (гигроскопическая влажность), разложение идет очень медленно, увеличиваясь с повышением температуры (т.е. совершается  как химический процесс). При увеличении влажности процессы разложения резко усиливаются, дальнейшее повышение влажности после определенного предела вызывает ограничение доступа воздуха и снижение интенсивности процессов разложения. Таким образом, влияние влажности как фактора накопления органического вещества в почвах может сказываться только или при резком недостатке влаги или, при избытке ее, вследствие ограничения доступа воздуха.

     Влияние температуры.

     В пределах обычных температур, наблюдаемых  на земной поверхности, скорость разложения увеличивается с повышением температуры. При дальнейшем повышении температуры  скорость разложения сначала снижается, затем опять увеличивается. Такая закономерность объясняется тем, что при разложении идут не только химические, но и биологические процессы. Биологические процессы при температуре около 0⁰  и выше значительно усиливаются до определенного предела, когда температура превышает оптимальные значения для микроорганизмов скорость разложения падает. Химические процессы окисления, будучи незначительными при низких температурах, усиливаются при повышении температуры (скорость разложения возрастает).

     Влияние химических и физических свойств почвы.

     Влияние химического состава почвы на процессы разложения органических остатков обусловлено наличием растворимых  и легкодоступных минеральных веществ, необходимых для развития микроорганизмов. От химического состава почвы  зависит реакция среды - окислительные процессы разложения протекают наиболее интенсивно при нейтральной и щелочной реакции почвы. В природных условиях различная реакция почв (за исключением солонцов и солонцеватых почв) обуславливается наличием или отсутствием углекислой извести и степенью насыщенности почвы кальцием. Углекислая известь способствует накоплению гумуса в почвах, особенно во влажных (гумидных) и  гумидно-аридных областях. Кальций оказывает большое влияние как на процессы разложения, так и на накопление гумуса, причем это влияние частью косвенное – реакция почвы, а частью прямое – образование нерастворимых гуматов.

     Одним из важнейших почвенных факторов накопления гумуса является механический состав почв. Глинистые почвы при  всех прочих равных условиях имеют более высокое содержание гумуса, чем легкосуглинистые и особенно песчаные. При легком механическом составе вследствие лучшей аэрации процессы разложения идут более интенсивно; кроме того, в песчаных почвах часть органического вещества может теряться вследствие вымывания. Существенной причиной малого накопления гумуса в песчаных и вообще легких по гранулометрическому составу почвах является также бедность их кальцием и глинистой фракцией, которые играют большую роль в закреплении гумуса.